background image

Spatiotemporal Mapping and Molecular Basis of Whole-brain Circuit Maturation 

 

Jian  Xue

1

,  Andrew  T.  Brawner

2,  3,  9

,  Jacqueline  R.  Thompson

2,  3,  9

,  Tushar  D.  Yelhekar

1

,  Kyra  T. 

Newmaster

4

,

 

Qiang Qiu

5, 6

, Yonatan A. Cooper

7

, C. Ron Yu

5, 6

, Yasir H. Ahmed-Braima

8

, Yongsoo Kim

4

Yingxi Lin

1,10*

 

 

1

Department of Psychiatry, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, TX, 75390, USA

 

2

Department of Psychiatry and Behavioral Sciences, SUNY Upstate Medical University, Syracuse, NY 

13210, USA 

3

Neuroscience Graduate Program, SUNY Upstate Medical University, Syracuse, NY 13210, USA 

10 

4

Department of Neural and Behavioral Sciences, The Pennsylvania State University, Hershey, PA 17033, 

11 

USA 

12 

5

Stowers Institute for Medical Research, Kansas City, MO 64110, USA 

13 

6

Department of Anatomy and Cell Biology, University of Kansas Medical Center, Kansas City, MO 66160, 

14 

USA 

15 

7

Current  address:  Department  of  Human  Genetics,  David  Geffen  School  of  Medicine,  University  of 

16 

California, Los Angeles, CA 90095, USA. 

17 

8

Department of Biology, Syracuse University, Syracuse, NY 13244, USA 

18 

9

Equal contribution 

19 

10

Lead contact 

20 

 

21 

*Correspondence: Yingxi.Lin@UTSouthwestern.edu

 

22 

 

23 

KEYWORDS 

24 

DevATLAS, circuit maturation, activity-dependent, whole-brain mapping, spatiotemporal map, 

25 

developmental brain templates, neurodevelopmental disorder, environmental enrichment, energy 

26 

metabolic pathway 

27 

 

28 

SUMMARY 

29 

Brain  development  is  highly  dynamic  and  asynchronous,  marked  by  the  sequential  maturation  of 

30 

functional circuits across the brain. The timing and mechanisms driving circuit maturation remain elusive 

31 

due  to  an  inability  to  identify  and  map  maturing  neuronal  populations.  Here  we  create  DevATLAS 

32 

(Developmental Activation Timing-based Longitudinal Acquisition System) to overcome this obstacle. We 

33 

develop whole-brain mapping methods to construct the first longitudinal, spatiotemporal map of circuit 

34 

maturation in early postnatal mouse brains. Moreover, we uncover dramatic impairments within the deep 

35 

cortical layers in a neurodevelopmental disorders (NDDs) model, demonstrating the utility of this resource 

36 

to  pinpoint  when  and  where  circuit  maturation  is  disrupted.  Using  DevATLAS,  we  reveal  that  early 

37 

experiences  accelerate  the  development  of  hippocampus-dependent  learning  by  increasing  the 

38 

synaptically  mature  granule  cell  population  in  the  dentate  gyrus.  Finally,  DevATLAS  enables  the 

39 

discovery of molecular mechanisms driving activity-dependent circuit maturation. 

40 

 

41 

INTRODUCTION 

42 

The  early  postnatal  period  encompasses  the  remarkable  transformation  of  functionally  primitive 

43 

newborns into sophisticated decision-making individuals. This advancement in brain function is enabled 

44 

by  the  establishment  of  efficient  neural  circuits.

1

  Neural  circuits  comprise  interconnected  neurons 

45 

spanning brain regions and serve as the fundamental units of neuronal processing.

2

 The formation of 

46 

neural  circuits  requires  preceding  processes  such  as  neurogenesis,  migration,  axon  pathfinding,  and 

47 

target innervation. However, the functional ability of neural circuits is conferred during the final stage of 

48 

neurodevelopment  through  the  activation  and  remodeling  of  synapses,  here  referred  to  as  circuit 

49 

maturation.

2-7

 Circuit function determines an organism’s behavioral and cognitive capabilities, and many 

50 

genes  associated  with  neurodevelopmental  disorders  (NDDs)  have  been  found  to  be  involved  circuit 

51 

maturation.

8-11

 

52 

Circuit  maturation  epitomizes  the  complexity  and  asynchrony  of  brain  development.

12-14

  Different 

53 

brain  regions  exhibit  varying  rates  and  timings  of  maturation,  reflecting  the  progressive  acquisition  of 

54 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

skills  across  development.

15,16

  For  example,  circuits  involved  in  sensory  and  motor  functions  typically 

55 

mature earlier than those responsible for higher cognitive functions.

15

 Even within a given brain region, 

56 

neurons  do  not  mature  simultaneously.

17-19

  Such  complexity  and  heterogeneity  impede  our  ability  to 

57 

systematically determine the sequence in which circuits mature, preventing us from effectively pinpointing 

58 

when and where circuit function is disrupted in NDDs. 

59 

Circuit  maturation  is  heavily  influenced  by  neuronal  activity.

20

  Over  time,  sensory-driven  activity 

60 

replaces  intrinsically  generated  spontaneous  activity  to  become  the  dominant  driving  force  for  circuit 

61 

maturation.

18,21-24

  Activity-dependent  transcription  orchestrates  molecular  programs  to  construct  and 

62 

sculpt synaptic connections between neurons. What follows is a surge in the production of both excitatory 

63 

and inhibitory synapses, closely coordinated by neuronal activity to result in mature circuits with balanced 

64 

excitation and inhibition (E/I balance).

25

 In fact, a disrupted E/I balance has consistently been observed 

65 

among  NDDs.

26,27

  Since  activity-dependent  synaptic  development  is  an  essential  step  in  circuit 

66 

maturation, we reasoned that molecular players that are actively involved in this process can be used to 

67 

monitor  the  brain-wide  sequence  of  circuit  maturation.  Npas4,  an  immediate  early  gene  (IEG),  is 

68 

particularly  suited  for  this  purpose  due  to  its  robust  and  selective  induction  by  neuronal  activity, 

69 

involvement in E/I balance through the activity-dependent development of both excitatory and inhibitory 

70 

synapses, and crucial roles in experience-dependent brain functions like learning and memory.

28-31

 

71 

We  have  developed  a  Npas4-dependent  reporter  system  that  offers  a  unique  capability  to 

72 

permanently and cumulatively labels neurons once they have been activated during the natural course 

73 

of 

in vivo

 development. We name this reporter system DevATLAS (Developmental Activation Timing-

74 

based Longitudinal Acquisition System). With longitudinal sampling, advanced tissue-clearing techniques, 

75 

and whole-brain imaging and mapping, we have constructed the first spatiotemporal map of the whole-

76 

brain  circuit  maturation.  This  resource  can  be  used  to  pinpoint  when  and  where  circuit  development 

77 

deviates  from  the  norm  in  NDDs,  as  we  demonstrate  in  an  NDD  mouse  model.  To  demonstrate  the 

78 

versatility of DevATLAS, we uncover a circuit mechanism by which early experiences accelerate cognitive 

79 

development.  Single-cell  RNA  sequencing  (scRNA-seq)  of  DevATLAS  animals  further  offers 

80 

unprecedented  opportunities  to  uncover  molecular  mechanisms  which  drive  activity-dependent  circuit 

81 

development 

in vivo

. Altogether, DevATLAS provides much-needed insights into the intricate processes 

82 

underlying functional maturation of the brain.

 

83 

 

84 

RESULTS

 

85 

DevATLAS enables longitudinal capture of neuronal activation 

86 

DevATLAS permanently labels neurons once they are activated and express 

Npas4 

during development 

87 

(Figure 1A), which we refer to as neuronal activation hereafter. The Npas4-Cre mouse was created by 

88 

inserting a P2A-Cre sequence before the stop codon of the 

Npas4 

coding region. Due to the self-cleavage 

89 

property of the P2A sequence, transcription from the 

Npas4 

locus now generates two separate proteins 

90 

that function independently: full-length Npas4 and Cre. DevATLAS is created when the Npas4-Cre mouse 

91 

is crossed with either Ai14 or Ai75 mice,

32

 to permanently label neurons with cytosolic (Npas4-Cre;Ai14) 

92 

or  nuclear-localized  (Npas4-Cre;Ai75)  tdTomato  (tdT)  following  the  initial 

Npas4 

induction  during 

93 

development. 

94 

Like the endogenous 

Npas4 

gene, DevATLAS tdT labeling is selectively induced by Ca

2+

 influx following 

95 

neuronal activation and is insensitive to other signaling pathways that are known to activate many other 

96 

IEGs (Figure 1B).

28,29

 To determine the time course of tdT labeling after neuronal activation, we quantified 

97 

DevATLAS signal following pentylenetetrazol (PTZ)-induced seizure, to trigger Npas4 expression. In P7 

98 

DevATLAS mice, all activated cells were labeled by tdT between 6 and 12 hours after seizure (Figures 

99 

1C and S1A). All labeled cells were neurons, a feature of 

Npas4 

that is not shared by some other IEGs, 

100 

such as 

Fos 

(Figures S1B and S1C). 

101 

 

102 

DevATLAS reveals the brain-wide sequence of neuronal activation 

103 

We  next  monitored  DevATLAS  tdT  labeling  to  reveal  how  neuronal  activation  emerged  across  the 

104 

developing  brain.  DevATLAS  revealed  the  asynchronous  onset  of  neuronal  activation  across  brain 

105 

regions  throughout  development  (Figure  1D).  Regions  necessary  for  survival,  such  as  the  arcuate 

106 

hypothalamic nucleus (ARH, e.g., hunger and satiety) and paraventricular hypothalamic nucleus (PVH, 

107 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

e.g., food intake), were among the first to exhibit robust tdT signal (Figure 1E).

33,34

 Sensory- and motor-

108 

associated  regions  followed,  starting  with  the  striatum  dorsal  region  (STRd),  which  contributes  to  the 

109 

integration  of  sensorimotor  response  and  motor  ability  (Figure  1F).  DevATLAS  tdT  signal  began  to 

110 

emerge in cortical areas about one week later (Figure 1G). Lastly, tdT labeling appeared in brain regions 

111 

which  are  dispensable  for  survival  but  essential  for  important  higher-level  functions  (e.g.,  the 

112 

hippocampus)  (Figure  1H).  Such  patterns  of  progressive  circuit  activation  according  to  changing 

113 

organismal needs and complexity match the known order of functional development. DevATLAS revealed 

114 

that  areas  within  ontologically  distinct  brain  regions  also  exhibit  progressive  maturation  of  circuits 

115 

according to the advancing organismal development. For example, tdT labeling in the hindbrain appeared 

116 

first in regions critical for survival (parabrachial nucleus, e.g., autonomic functions) (Figure S1D) before 

117 

progressing  to  regions  regulating  sensory  and  motor  function  (e.g.,  pontine  gray  and  superior  olivary 

118 

complex) (Figure S1E).

35

  

119 

Quantification of DevATLAS signal in 11 brain regions at seven ages between P0 and P28 substantiated 

120 

our  observations  of  asynchronous  neuronal  activation  (Figures  1I  and  S1F).  At  this  more  detailed 

121 

resolution, differences in cortical maturation sequence are apparent. For example, the olfactory system 

122 

develops earliest among sensory systems and accordingly, the piriform cortex (PIR) exhibited increased 

123 

tdT labeling at P0 and P4 compared to other primary sensory cortices (Figure S1F). The slight delay in 

124 

maturation of the visual cortex (VISp) compared to other primary sensory cortices is also captured by 

125 

DevATLAS  (Figure  S1F).  Interestingly,  the  initial  neuronal  activation  of  the  medial  prefrontal  cortex 

126 

(mPFC)  and  the  CA3  region  of  the  hippocampus,  both  of  which  regulate  higher-order  behaviors  that 

127 

emerge later in young adulthood, coincided with activation of the primary sensory and motor cortices and 

128 

plateaued a week or more before other higher-level brain regions in the hippocampus (e.g., the CA1 and 

129 

dentate gyrus) (Figure S1F). This observation suggests that the behavioral and cognitive complexities 

130 

attributed to the mPFC and CA3 are not limited by the neuronal activation of those regions, per se. 

131 

Altogether, DevATLAS reveals that brain regions are sequentially activated in a general trend according 

132 

to physiological needs: those crucial for basic survival emerge first, followed by regions which interface 

133 

with  the  external  environment  (motor  and  sensory),  and  finally  regions  which  integrate  and  interpret 

134 

external  environmental  signals  for  higher-order  behavioral  execution.  The  sequence  of  tdT  labeling 

135 

coincides with the order of functional circuit development but implies subtle differences from behavioral 

136 

maturity in some cases.  

137 

As we established in the introduction, circuit maturation is not a singular moment or event but rather a 

138 

development phase following circuit assembly wherein the connections between neurons are activated 

139 

and then reinforced. We propose that the neuronal activation captured by DevATLAS is a brain-wide 

140 

benchmark of the initial stage of circuit maturation that confers advanced synaptic properties and enables 

141 

behavioral  maturity.  We  next  conducted  a  series  of  experiments  to  test  this  hypothesis,  investigating 

142 

whether: (1) DevATLAS captures synaptic activity 

in vivo

; (2) DevATLAS tdT labeling coincides with the 

143 

timing of circuit assembly; and (3) DevATLAS identifies neuronal populations with advanced functional 

144 

maturity. 

145 

 

146 

Synaptic activity triggers DevATLAS labeling during circuit maturation 

147 

To  confirm  that  DevATLAS-labeled  neurons  have  experienced  synaptic  activity 

in  vivo

,  we  examined 

148 

when, where, and which types of neuronal activity triggers tdT labeling in the sensory systems.  

149 

The development of the visual system is known to be driven by both spontaneous and, later, light-

driven

 

150 

retinal activity that is transmitted to the brain via retinal ganglion cells (RGCs).

22,36-38

 In the retina, tdT 

151 

labeling emerged during the window of the glutamatergic wave of spontaneous retinal activity around 

152 

P10, but not the earlier gap junction- and cholinergic-mediated waves (Figure 1J and 1K).

39

 This suggests 

153 

that Npas4 expression is specifically triggered by glutamatergic synaptic activity. Dark rearing, without 

154 

any light exposure (Figure S1G), significantly reduced, but did not eliminate, the number of tdT-labeled 

155 

RGCs by P16 (Figures S1H and S1I). These observations demonstrate that DevATLAS captures both 

156 

spontaneous and sensory-driven neuronal activity in the retina. 

157 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

To  investigate  the  effect  of  RGC  activity  on  the  downstream  dorsal  lateral  geniculate  nucleus  of  the 

158 

thalamus (dLGN), we performed unilateral enucleation to eliminate both spontaneous and light-evoked 

159 

retinal input from one eye while preserving local connections within the dLGN (Figure 1L). This led to a 

160 

profound absence of tdT labeling in the contralateral dLGN at P12 and P14 (Figures 1M and 1N). These 

161 

findings indicate that the activity transmitted from the retina, rather than local dLGN activity, is the main 

162 

driver  of  DevATLAS  signal  within  the  dLGN.  Interestingly,  dark  rearing,  which  preserves  only 

163 

spontaneous RGC activity, led to a small but significant decrease in tdT labeling in the dLGN by P16 

164 

(Figures S1J and S1K). These results suggest that tdT labeling reflects the crucial role of the spontaneous, 

165 

glutamatergic retinal wave in shaping synaptic connections between RGCs and dLGN neurons.

22

 

166 

In the olfactory system, which develops early and is functional at birth, DevATLAS exhibited labeling in 

167 

areas associated with olfactory processing by P0, such as the PIR and the main olfactory bulb (MOB) 

168 

(Figure  S1L).  Consistent  with  previous  findings,  removal  of  olfactory  input  with  naris  occlusion  at  P0 

169 

significantly reduced the number of tdT-labeled neurons in the MOB and PIR at P4 (Figures S1M-S1Q).

40

 

170 

This result supports the critical role of spontaneous activity in the development of olfactory circuits.

41

 

171 

Taken together, our data demonstrate that DevATLAS captures both spontaneous and sensory-driven 

172 

glutamatergic  activity  propagated  throughout  sensory  systems,  supporting  our  hypothesis  that 

173 

DevATLAS captures the activity-dependent initiation of circuit maturation. 

174 

 

175 

DevATLAS catches patterns of circuit assembly 

176 

To establish whether neuronal activation documented by DevATLAS is involved in the wiring of functional 

177 

circuits,  we  examined  the  appearance  of  tdT  labeling  in  three  developmental  systems  where  circuit 

178 

assembly is well-documented. 

179 

The STRd is one of the earliest regions showing robust tdT labeling (Figures 1D and 1F). We found that 

180 

striosome neurons, known as the early-born striatal population,

42

 were labeled and thus activated earlier 

181 

(P0-P4) than the later-born matrix neurons (P7-P21) (Figures 1F

,

2A, and S2A). To investigate whether 

182 

the  early  tdT  labeling  of  striosome  neurons  indicates  of  their  integration  into  the  circuits  first,

43,44

  we 

183 

performed immunohistochemistry experiments at P0. We examined the distribution of axonal terminals 

184 

from  the  substantia  nigra  pars  compacta  (TH+),  the  cortex  (vglut1+),  and  the  thalamus  (vglut2+). 

185 

Remarkably, axonal terminals from all three regions converged onto the tdT-labeled striosome region 

186 

and were noticeably absent from the matrix region, which was not labeled by tdT at this time (Figure 2B). 

187 

At P7, consistent with tdT labeling pattern, all terminals appeared in matrix (Figure S2B). Interestingly, 

188 

we also observed that the lateral STRd, which receives inputs from the sensorimotor cortex, displayed 

189 

tdT labeling before the medial STRd, which receives input from higher-order association areas (Figures 

190 

1F and 2A).

45

 This progression of tdT labeling likely reflects the order and timing of corticostriatal circuits 

191 

assembly, which had not been previously demonstrated. 

192 

In  the  barrel  cortex  (SSp-bfd),  the  timing  and  sequence  of  DevATLAS  signal  closely  followed  the 

193 

formation

 of the thalamocortical circuit (Figure 2C). tdT labeling first emerged in SSp-bfd layer VI and 

194 

then in layer IV, coinciding with the timing when thalamocortical axons heavily innervate these regions 

195 

(P4-P10) (Figures 2D, S2C, and S2D). Sparse tdT labeling then appeared in layer II/III and layer V at P7-

196 

P10, in line with the initial activation of barrel minicolumn circuits (Figures 2C and 2D).

24,46

 Of note, layer 

197 

V excitatory neurons are born earlier than those in layers IV and II/III yet are labeled later (Figures S2C 

198 

and S2D), suggesting that the order in which neurons are assembled into circuits and activated does not 

199 

necessarily correspond to neuronal birth order. 

200 

The  hippocampus  is  another  region  where  we  observe  agreement  between  the  sequence  of  circuit 

201 

assembly and DevATLAS signal. tdT labeling first emerged in the CA2/CA3, followed by the CA1 and 

202 

then  the  dentate  gyrus  (DG)  (Figures  2E,  2F,  and  S2E).  This  pattern  recapitulates  the 

sequence

  of 

203 

entorhinal cortex-driven hippocampal maturation reported in previous studies.

47

 tdT labeling also reflects 

204 

the order by which portions of each subregion integrated into the hippocampus circuit: from CA1a/b to 

205 

CA1c,  from  CA3a/b  to  CA3c,  and  starting  from  the  edge  where  early-born  neurons  reside  in  all 

206 

hippocampal subregions (Figure 2F).

18

  

207 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

The patterns of tdT labeling across the developing brain indicate that the sequence of circuit maturation 

208 

is  mainly  determined  by  circuit  assembly  order  and  is  partially  associated  with  neuronal  birth  order 

209 

(Figures 2B, 2D, 2F, and S1F). We utilized DevATLAS to confirm that the propagation of neuronal activity 

210 

across assembled circuits occurred through synapse. We found that tdT signal in the DG was drastically 

211 

reduced when presynaptic communication from its major glutamatergic excitatory input, the entorhinal 

212 

cortex, was ablated by tetanus toxin (Figures 2G-2I). Taken together, DevATLAS signal can be used to 

213 

capture the sequence of circuit assembly during brain development. 

214 

 

215 

DevATLAS captures the population that is functionally more mature

 

216 

If DevATLAS captures circuit maturation in response to the synaptic activation of assembled circuits, we 

217 

would anticipate that, at the cellular level, the tdT-labeled neurons are more mature and possess stronger 

218 

synaptic connections than their unlabeled neighboring neurons. To assess this hypothesis across brain 

219 

regions  and  cell  types,  we  focused  on  the  STRd,  which  develops  early  and  exhibits  the  drastic 

220 

heterogeneity in tdT labeling shortly after birth (Figure 1F), and the DG, which exhibits tdT labeling weeks 

221 

later (Figure 1H) and is associated with cognitive function. 

222 

In the P0 STRd, we found that approximately 90% of tdT-labeled medium spiny neurons (MSNs), the 

223 

predominant striatal cell type, expressed DARPP32, a marker of mature MSNs (Figures 3A and 3B).

48

 In 

224 

contrast,  less  than  10%  of  unlabeled  MSNs  expressed  DARPP32.  Like  most  neurons,  the  resting 

225 

membrane potential of MSNs decreases as part of neuronal maturation. We found that tdT-labeled MSNs 

226 

displayed significantly more hyperpolarized resting membrane potential compared to unlabeled MSNs 

227 

(Figure 3C). In addition, the reversal potential of GABA was significantly lower in tdT-labeled MSNs due 

228 

to a much lower intracellular chloride concentration,  resulting in a more hyperpolarized GABA driving 

229 

force (Figure 3C). Thus, the developmental GABA switch has occurred in tdT-labeled MSNs but not yet 

230 

in their unlabeled counterparts. This developmental advancement is key for functional signaling and the 

231 

integration into mature circuits.

49

 To further examine the maturity, we measured synaptic properties of 

232 

tdT-labeled and unlabeled MSNs in P7 DevATLAS mice. The tdT-labeled MSNs exhibited significantly 

233 

higher  frequencies  of  spontaneous  miniature  excitatory  (mEPSC)  and  inhibitory  postsynaptic  current 

234 

(mIPSC) (Figures 3D and 3E). These results strongly indicate that the activation evidenced by DevATLAS 

235 

signal reflects cellular and synaptic maturity in the STRd.  

236 

Similar results were observed in the granule cells (GCs) of the DG. At P14, all tdT-labeled cells in the DG 

237 

were identified as mature GCs, while less than half of unlabeled GCs expressed the maturation marker 

238 

Calbindin (Figures 3F and 3G).

50

 Both mEPSC and mIPSC frequencies were significantly higher in tdT-

239 

labeled GCs than unlabeled GCs (Figures 3H and 3I). We next examined whether the more abundant 

240 

synaptic inputs received by the tdT-labeled GCs were related to hippocampal learning and memory ability. 

241 

We  trained  P20  DevATLAS  mice  with  contextual  fear  conditioning  (CFC).  Neurons  acutely  activated 

242 

during CFC were identified by their expression of Fos, a proxy for memory engram neurons (Figure 3J). 

243 

We found that CFC increased acute neuronal activation exclusively in the tdT-labeled GCs (Figures 3K 

244 

and 3L), strongly indicating that tdT-labeled neurons are more likely than their unlabeled counterparts to 

245 

participate in memory encoding.  

246 

Taken  together,  our  results  demonstrate  that  tdT-labeled  neurons  are  more  mature  at  the  cellular, 

247 

physiological,  synaptic,  and  behavioral  levels.  DevATLAS  has  proven  uniquely  capable  of  tagging 

248 

neurons in different brain regions and circuits that have initiated the circuit maturation in response to 

249 

synaptic activity. Critically, DevATLAS accomplishes this amidst the asynchronous and heterogeneous 

250 

in vivo

 environment of the developing brain. 

251 

 

252 

A spatiotemporal map of circuit maturation across the whole brain 

253 

Having established that DevATLAS can capture sequences of circuit maturation in different brain systems 

254 

and  ages,  we  next  sought  to  create,  for  the  first  time,  a  longitudinal,  spatiotemporal  map  of  circuit 

255 

maturation across the whole brain. Such a resource would allow researchers to identify when and where 

256 

neuronal  activation  begins  in  their  region  of  interest,  enabling  in-depth  analysis  of  the  specific 

257 

developmental processes. We built a whole-brain imaging and data analysis pipeline to create this much-

258 

needed resource for the neuroscience research community (Figure 4A).  

259 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

First,  a  series  of  reference  brain  templates  were  generated  by  adopting  a  previously  established 

260 

strategy,

51

 which was then adjusted based on our current clearing and imaging method to cover neonatal 

261 

ages and provide more detailed annotations based on Allen common coordinate framework labels (Figure 

262 

4B).

52

 Brain samples were collected from DevATLAS mice at seven developmental time points spanning 

263 

P0 to P28. Brains were tissue-cleared using FDISCO,

53

 imaged on a LaVision Ultramicroscope II light 

264 

sheet fluorescence microscope (LSFM), and mapped onto our age-matched reference templates (Figure 

265 

4C). Our dataset allows for visualizing the spatiotemporal order of circuit maturation along the sagittal, 

266 

coronal, and horizontal axes. This visualization allows for simultaneous, coordinate-linked examination 

267 

of four data channels (Figures 4D, S3A, and S3B, Methods): annotation template, the averaged tdT signal 

268 

from  at  least  12  brains  collected  for  each  time  point,  the  autofluorescence  image  (giving  a  rough 

269 

anatomical outline of the brain), and an individual sample brain displaying raw tdT signals (Figure 4D).  

270 

We  highlight  the  thalamocortical  barrel  circuit  to  exemplify  how  the  DevATLAS  whole-brain  imaging 

271 

dataset  reveals  the  sequence  of  circuit  maturation.  The  formation  of  this  circuit,  previously  described 

272 

using traditional histology methods (Figure 2D), is plainly evident in LSFM images of the SSp-bfd region 

273 

from  P0  to  P21  (Figure  4E).  The  barrel  formations  can  even  be  seen  within  individual  brain  samples 

274 

(Figure  4E,  P7).  Concurrently,  LSFM  images  of  the  VPM,  the  thalamic  input  to  SSp-bfd,  exhibit  tdT 

275 

labeling  closely  correlated  to  that  in  the  SSp-bfd  (Figure  4E),  consistent  with  the  known  role  of  VPM 

276 

neurotransmission driving the formation of the thalamocortical barrel circuit.

54

  

277 

To gain a more general insight into whole-brain circuit activation patterns, tdT signals were mapped to 

278 

anatomical  brain  regions  (Table  S2)  and  their  volumetric  proportions  were  extracted  and  then 

279 

hierarchically clustered across ages and regions (Figure S3C, Table S3). All the raw and processed data, 

280 

along with the new developmental brain templates, can be freely accessible through Mendeley data and 

281 

BrainImageLibrary. 

282 

One of our goals for the DevATLAS spatiotemporal map is to reveal potentially unknown roles of regions 

283 

in brain development. Two such regions, the fasciola cincerea and induseum griseum, stood out in the 

284 

tdT signal clustering data. They are little-studied regions of the hippocampus that exhibited robust tdT 

285 

labeling by P4, much earlier in development than the remainder of the hippocampus regions, suggesting 

286 

that these regions may play not-yet-identified roles in circuit maturation during the early developmental 

287 

stages (Figure S3C). Of note, neuronal activity in the induseum griseum has been shown to be impacted 

288 

by  maternal  stimulant  abuse  during  pregnancy,  highlighting  the  potential  significance  of  the  activity-

289 

dependent development of this region and the need for further investigation.

55

 

290 

Another intriguing observation apparent in DevATLAS LSFM images is the distinct patterns of tdT labeling 

291 

in cortical layer VI across different cortical areas at the same developmental age (Figures 4F and S3D). 

292 

In the primary sensory cortices such as the somatosensory cortex (SSp) and the VISp, tdT labeling at P7 

293 

first appears strongly in upper layer VI (VIa), more so than the lower layer VI (VIb, subplate). In contrast, 

294 

non-sensory and association cortices such as the primary motor cortex (Mop), prelimbic cortex (PL), and 

295 

retrosplenial cortex (RSPd), exhibited initial tdT labeling in layer VIb/subplate (Figures 4F and S3D). As 

296 

layer  VI  is  the  first  cortical  layer  to  receive  thalamus  input,  these  results  suggest  differences  in 

297 

thalamocortical circuit assembly or maturation across different cortical areas. 

298 

Altogether, whole-brain imaging and analysis of DevATLAS provides high-throughput and quantitative 

299 

measurements of the sequential circuit maturation on the whole-brain scale. The spatiotemporal whole-

300 

brain map of neuronal activation offers an unprecedented opportunity for the neuroscience community to 

301 

trace and explore the steps of circuit maturation during early brain development. 

302 

 

303 

Whole-brain  mapping  reveals  disruptions  in  circuit  development  in  a  mouse  model  of  autism 

304 

spectrum disorder

 

305 

Circuit development is often disrupted in NDDs, such as autism spectrum disorder (ASD).

56

 Identifying 

306 

where and when in development these perturbations occur has been a bottleneck in NDD research that 

307 

limits investigation to a few pre-selected brain regions without knowing where and when the synapse-

308 

level perturbations are concentrated. To overcome this limitation, we sought to leverage DevATLAS and 

309 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

the  high-throughput  whole-brain  imaging  and  analysis  pipeline  as  a  discovery  platform  that  can 

310 

systematically identify when and where circuit development is disrupted in NDDs. 

311 

To this end, we employed an established NDD model with ASD like behavioral deficit: prenatal valproic 

312 

acid  (VPA)  exposure.

57

  Pregnant  DevATLAS  dams  were  injected  with  either  VPA  or  saline  at  E12.5 

313 

(Figure  S3E,  see  Methods).  Consistent  with  previous  reports,

58

  VPA-exposed  pups  exhibited 

314 

developmental phenotypes consistent with ASD, including impaired physical development and altered 

315 

social  communication  at  the  early  postnatal  stage  (Figure  S3F).  Whole-brain  imaging  mapping  was 

316 

carried out using FDISCO-processed P7 brains from both VPA and control saline treatment. Consistent 

317 

with a lack of gross morphological changes in NDDs, overall tdT labeling appeared similar at P7 (Figure 

318 

4G). However, several brain regions exhibited significant changes in tdT densities between saline- and 

319 

VPA-treated brains, with VPA exposure predominantly reducing tdT signal (Figure 4H, Table S4). Notably, 

320 

layer VIa of sensory cortices, particularly the SSp-bfd, exhibited the greatest reduction of tdT labeling in 

321 

VPA-exposed animals (Figures 4H and 4I). These results were confirmed with manual counting of LSFM 

322 

images (Figure 4J). Interestingly, the VPM also displayed decreased tdT densities (Figure 4H). These 

323 

data  suggest  that  sensory  processing  abnormalities  in  persons  with  NDD  may  be  linked  to  early-life 

324 

changes in sensory circuit maturation.

59

 

325 

Thus,  DevATLAS,  combined  with  the  whole-brain  imaging  and  analysis  pipeline,  enables  the 

326 

identification of the brain regions and neural circuit maturation where disrupted development may underlie 

327 

behavioral impairments. 

328 

 

329 

DevATLAS uncovers experience-driven facilitation of cognitive development

 

330 

Given DevATLAS’s unique ability to track the neuronal activation history of neurons undergoing activity-

331 

dependent functional maturation, we sought to leverage the reporter system to 

explore

 the mechanisms 

332 

by which sensory experience influences circuit maturation in regions like the hippocampus that receive 

333 

highly processed sensory information. Unlike the sensory systems, experience-dependent maturation of 

334 

non-sensory brain regions remains under explored. 

335 

To manipulate sensory experience, we implemented early environmental enrichment (EE, see 

Methods

336 

in  experimental  mice  (EE-reared  mice)  and  compared  to  control  mice  (standard  housing  (SH)-reared 

337 

mice)  (Figure  5A).  EE-reared  mice  exhibited  increased  locomotion  in  an  open  field  and  earlier  eye 

338 

opening  compared  to  SH-reared  pups,  indicating  developmental  advancement  (Figure  S4).

60,61

 

339 

DevATLAS revealed that EE significantly increased the proportion of GCs undergoing circuit maturation 

340 

in the DG at P20 and P24 (Figures 5B and 5C). Given our earlier findings that tdT-labeled GCs were 

341 

preferentially utilized to encode contextual memory (Figure 3K and 3L), we hypothesized that the EE-

342 

induced precocious tdT labeling in the DG corresponded to improved hippocampus-dependent learning 

343 

and memory ability. 

344 

We used CFC to evaluate if EE impacted the progress of hippocampus-dependent contextual memory 

345 

ability  during  development  (Figure  5D

,

  see  Methods).  Consistent  with  the  literature  in  rat  and  mice 

346 

studies,

13,62

 SH-reared mice younger than P24 displayed little memory recall both one day and seven 

347 

days after CFC (Figure 5E). Remarkably, EE-reared mice as young as P20 exhibited an ability to retrieve 

348 

contextual memories after one day and seven days post-CFC, on par with SH-reared P28 mice (Figure 

349 

5F).  

350 

Critically, the extent of tdT labeling in the DG was highly correlated with the memory ability. At P17, when 

351 

both EE- and SH-reared mice demonstrated similar memory ability (Figures 5E and 5F), tdT labeling in 

352 

the  DG  was  unchanged  (Figure  5C).  However,  at  P20  and  P24,  the  enhanced  memory  ability 

353 

demonstrated  by  the  EE-reared  mice  corresponded  to  a  significant  increase  in  the  proportion  of  tdT-

354 

labeled GCs (Figures 5F and 5C).  

355 

Both readouts of DG development (tdT labeling and memory ability) indicate that sensory manipulation 

356 

influences  DG  circuit  maturation  within  a  specific  postnatal  window.  The  sensory  experience-induced 

357 

cognitive  advancement  was  temporary,  as  by  P28,  both  EE-  and  SH-reared  mice  exhibited  similar 

358 

hippocampal-dependent  memory  ability.  Our  results  demonstrate  that  sensory  engagement  can 

359 

accelerate circuit maturation and cognitive function within a region-specific developmental window. 

360 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

Interestingly, neither mEPSCs nor mIPSCs of tdT-labeled or unlabeled GCs were significantly changed 

361 

by EE (Figures 5G and 5H). These data imply that the effect of EE on cognition is due to the abundance 

362 

of tdT-labeled DG GCs, and that the subsequent synaptic development induced by activation is similar 

363 

between  SH  and  EE  GCs.  This  is  consistent  with  our  finding  that  tdT-labeled  GCs  during  early 

364 

development are the ones preferentially recruited to encode contextual memory (Figures 3K and 3L). 

365 

Taken together, our data consistently indicates that the molecular pathways activated in the tdT-labeled 

366 

neurons play important roles in activity- and experience-dependent circuit maturation. 

367 

 

368 

Progressive development of granule cells is linked to activity-dependent transcription programs

 

369 

To identify the molecular mechanisms underlying 

in vivo

 circuit maturation, we performed scRNA-seq of 

370 

the  DevATLAS  DG  at  P14,  P20,  and  P24  (Figure  6A),  covering  the  emergence  of  hippocampus-

371 

dependent memory ability (Figure 5E). In total, we obtained 19,047 high-quality single-cell transcriptomes 

372 

(Figure  S5A,  see  Methods),  identifying  major  populations  of  neurons,  neuronal-fated  cells,  and  glia 

373 

(Figures 6B, S5B, and S5C). We found that tdT expression was restricted to a subset of mature GCs, as 

374 

indicated  by  limited  expression  of  immature  markers  and  increased  expression  of  mature  markers 

375 

(Figures  6C,  S5D,  and  S5E).  The  proportion  of  tdT-labeled  cells  increased  with  age  and  matched 

376 

quantification of tdT labeling in the DG (Figures 5C, 6D, S1F, and S5F). 

377 

The GC population consisted of two immature and two mature clusters (Figures 6E). Genes involved in 

378 

neurite extension and protein synthesis were enriched in the immature clusters, while the mature clusters 

379 

exhibited gene involved in neuronal preparation for synaptic communication (growth GC) and functional 

380 

synaptic activity (synaptic GC) (Figures 6F and S5G, Table S5). Pseudotime analysis indicated that all 

381 

GC groups existed in a continuous developmental trajectory (Figure 6E). The increasing representation 

382 

of  tdT-labeled  GCs  with  pseudotime  further  validated  the  developmental  relevance  of  the  trajectory 

383 

(Figure 6G). Statistical examination of pseudotime by age and tdT labeling also supported that the tdT-

384 

labeled  GCs  identified  in  the  scRNA-seq  dataset  were  more  developmentally  advanced  than  their 

385 

unlabeled  counterparts  (Figure  S5H).  Furthermore,  the  GC  clusters  were  ordered  along  pseudotime 

386 

according to the typical progression of neuronal development (neurite extension, structural reorganization, 

387 

synaptic signaling) (Figure 6F). 

388 

To  investigate  the  link  between  neuronal  activation  and  the  progression  of  GC  development,  we 

389 

examined the expression of activity-regulated genes (ARGs) in the GC population. We isolated a set of 

390 

ARGs  from  the  literature  (see  Table  S5  for  complete  list  of  ARGs  used)  and  characterized  their 

391 

expression  across  GC  pseudotime.  We  found  that  many  ARGs  gradually  increased  in  expression  as 

392 

development progressed, highlighting the importance of activity response in mature GCs (Figure 6H). 

393 

However, we also identified that separate groups of ARGs were present in different GC clusters (Figures 

394 

6H). The ARGs increased in nascent GCs (e.g., 

Kitl

Alcam

Nrp1

) supported the importance of neuronal 

395 

activity in regulating early neurite outgrowth, migration, pathfinding, and cell adhesion.

63-65

 Some ARGs 

396 

(e.g., 

Kdm7a,  Dclk1,  Irs2

)  were  particularly  enriched  in  growth  GCs.  Importantly,  most  ARGs  and 

397 

traditional IEGs (

Junb

Bdnf

Ier5

, and 

Scg2

)

 

were robustly expressed within the synaptic GCs (Figure 

398 

6H), suggesting that this population is more responsive to activity-dependent stimulus.  

399 

Taken

  together,  the  characterization  of  scRNA-seq  data  from  DevATLAS  DG  reveals  possible 

400 

transcriptional  substrates  directing  activity-dependent  circuit  development  in  the  DG  towards  active 

401 

synaptic signaling. DevATLAS provides us the opportunity to investigate molecular mechanisms which 

402 

distinguish tdT-labeled GCs from their unlabeled counterparts.  

403 

 

404 

Energy production pathway is critical for neuronal maturation  

405 

In  order  to  identify  gene  transcripts  that  may  contribute  to  the  development  of  tdT-labeled  GCs,  we 

406 

isolated differentially expressed genes (DEGs) between tdT-labeled and unlabeled GCs at any age (P14, 

407 

P24, or P24). Gene set enrichment analysis showed that the majority of these DEGs were associated 

408 

with neuronal maturation, membrane properties, synaptic functions, and, interestingly, glycolytic energy 

409 

production  (Figure  6I).  The  involvement  of  energy  production  pathway  in  tdT-labeled  GCs  strongly 

410 

suggests that the ability to meet the energy demands required for neuronal signaling is highly associated 

411 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

with DG circuit maturation. By extension, our data suggests these processes are critical for cognitive 

412 

development. 

413 

 

414 

DISCUSSION 

415 

We establish DevATLAS as a novel tool to monitor the sequence of 

in vivo

 circuit maturation during the 

416 

early postnatal period (Figures 1, 2, and 4). Our data indicate that circuit assembly is a pre-requisite for 

417 

DevATLAS  activation  (Figure  2),  that  the  neuronal  activation  captured  by  DevATLAS  alters  gene 

418 

expression to confer advanced synaptic function (Figures 3), and that neuronal populations tagged by 

419 

DevATLAS functionally contribute to behavioral maturity, as seen in the hippocampus (Figures 3 and 5). 

420 

DevATLAS reveals that brain-wide circuit maturation begins in areas required for basic survival, followed 

421 

by sensory and motor systems, and lastly cognition-related circuits (Figure 1). Moreover, we constructed 

422 

the first spatiotemporal map of postnatal whole-brain circuit maturation (Figure 4). This provides us with 

423 

a powerful platform to identify when and where neural circuit development is perturbed in NDD models, 

424 

as we demonstrated in our examination of mice with prenatal VPA exposure (Figure 4). Critically, we 

425 

demonstrated  that  DevATLAS  is  also  powerful  in  uncovering  molecular  mechanisms  that  facilitate 

426 

activity-dependent circuit maturation (Figures 6). 

427 

 

428 

An effective strategy to capture activity-dependent circuit maturation 

429 

Compared  to  other  IEG-based  genetic  and  viral  tools  that  label  activated  neurons,

32,66-69

  DevATLAS 

430 

specifically captures neurons undergoing activity-dependent circuit maturation during early development. 

431 

DevATLAS’s unique use of Npas4 induction to tag neurons ensures that the reporter is selectively activity-

432 

dependent and neuronal specific. This feature is not present in many other IEG-based systems, as we 

433 

showed with Fos (Figure S1C). DevATLAS is also unique in capturing neurons that are synaptically and 

434 

functionally more mature within heterogenous neuronal populations (Figure 3). Npas4’s established role 

435 

in  activity-dependent  synaptic  development  and  maintenance  of  E/I  balance  may  be  what  positions 

436 

DevATLAS  at  the  transition  from  circuit  assembly  to  circuit  maturity.

28,30,31,70

  Since  different  IEGs  are 

437 

involved in specific biological functions,

68

 reporters based on other IEGs, such as Arc,

71

 might provide 

438 

additional insights into activity-dependent brain development. 

439 

DevATLAS  tdT  labeling  accumulates  over  time.  This  feature  is  ideal  for  whole-brain  mapping  during 

440 

development, as it allows to track the timing and abundance of circuit activation in different brain regions. 

441 

For our purpose, we intentionally avoided CreER for neonatal tdT labeling due to tamoxifen toxicity, which 

442 

is not well tolerated by embryos and neonates at the concentrations used for maximal labeling, especially 

443 

in long-term schemas required to achieve longitudinal labeling.

72,73

 Nevertheless, we also made a publicly 

444 

available  Npas4-CreER  mouse  line  (see  methods)  that  allows  for  monitoring  Npas4  induction  within 

445 

experimentally designed time windows. 

446 

 

447 

A powerful discovery platform for studying NDDs 

448 

NDDs  typically  manifest  as  a  variety  of  behavioral  symptoms  by  perturbing  circuit  function  without 

449 

significant alteration of brain structures.

74-76

 Systematically determining when and where circuit function 

450 

is  perturbed  is  challenging  yet  necessary  to  develop  effective  interventions  for  patients  with  NDDs. 

451 

DevATLAS  and  the  whole-brain  imaging  analysis  pipeline  were  designed  with  these  goals  in  mind, 

452 

offering a fresh perspective by focusing on activity-dependent circuit maturation on the whole-brain scale. 

453 

Evidences suggest that sensory dysfunction in ASD arises early in development and is attributable, in 

454 

part,  to  basal  sensory  processing  regions.

77

  Our  findings  indicate  that  layer  VIa  neurons  may  play  a 

455 

pivotal role in establishing sensory perception circuits that are disturbed in the prenatal VPA exposure, 

456 

and possibly in other NDD models as well (Figures 4G-4J). Our data also resonates with a recent finding 

457 

that reduced spontaneous activity and abnormal development of deep-layer excitatory projection neurons 

458 

contribute to human NDDs.

78

 Further investigation is needed to reproduce and dissect this phenotype.  

459 

 

460 

The driving force of activity-dependent circuit maturation 

461 

Spontaneous  and  sensory-driven  activity  are  known  to  be  critical  for  elements  of  sensory  circuit 

462 

development like the expansion and refinement of axonal and dendritic arbors.

79,80

 Our study provides 

463 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

compelling evidence that both spontaneous and sensory-driven neuronal activity play prominent roles in 

464 

early circuit maturation (Figures 1J-1O and S1L-S1P). Although both spontaneous and sensory-driven 

465 

activity are known to be critical for circuit development, this study provides an effective way to investigate 

466 

the relative contributions of each type of activity to circuit development, and the timing of the effects varies 

467 

across the regions. We also demonstrate that early sensory-driven activity can accelerate the maturation 

468 

and function of non-sensory circuits like the hippocampus (Figure 5). Interestingly, our system does not 

469 

capture the early stage of global spontaneous activity mediated by the gap-junction,

36,81,82

 suggesting 

470 

that  gap-junction-mediated  depolarization  may  not  engage  IEG  programs  that  promote  synapse 

471 

formation  and  remodeling.  Our  data  also  highlight  the  crucial  role  for  glutamatergic  transmission  in 

472 

relaying spontaneous activity and sensory input that are responsible for early circuit activation (Figures 

473 

1K, 1M, and 2G-2I).

83

 

474 

Although the influence of neuromodulators on synaptic development is well-documented,

84,85

 very little is 

475 

known about how acetylcholine, dopamine, and serotonin influence Npas4 expression. DevATLAS will 

476 

facilitate  future  investigations  across  brain  regions  to  determine  the  extent  and  mode  by  which 

477 

neuromodulators impact circuit activity during development. 

478 

 

479 

Cellular and molecular mechanisms of activity-dependent circuit development 

480 

Due to the stochastic nature of 

in vivo

 physiological neuronal activity, previous studies have primarily 

481 

focused  on  acute  transcription  responses  triggered  by  strong,  often  artificially  induced  synchronous 

482 

activity  to  produce  populations  of  activated  neurons 

in  vitro

  or 

in  vivo

.

86,87

  In  contrast,  DevATLAS 

483 

cumulatively  captures  previously  activated  neurons,  enabling  us  to  uncover  molecular  and  cellular 

484 

mechanisms  that  are  critical  for  activity-  and  experience-dependent  circuits  maturation  under 

in  vivo

 

485 

physiological  conditions  (Figures  5  and  6).  The  approach  we  developed  here  can  also  be  applied  to 

486 

investigate  activity-dependent  circuit  maturation  mechanisms  across  brain  regions,  cell  types,  and 

487 

developmental stages.  

488 

 

489 

ACKNOWLEDGEMENTS 

490 

We thank Xiaochen Sun and Scott J. Neal for critical reading of the manuscript; Xubo Niu, Liu Yang, and 

491 

Minggui  Chen,  for  the  comments  of  the  manuscript;  Meizhen  Meng,  Thi  Minh  Hieu  Lam,  and  Joslyn 

492 

Doupe for the suggestions of this study; Martin Hemberg for help with scRNA-seq data analysis; Karen 

493 

Gentile at the SUNY molecular analysis core for the supports of sequencing experiments; John M. Ashton 

494 

and Rochester Genomics Center for the scRNA-seq service. This work was funded by Human Frontier 

495 

Science Program long-term fellowship LT000479/2016-L (J.X.); Brain Research Foundation Seed Grant 

496 

(Y.L.); Simons Center for the Social Brain Equipment Grant (Y.L.); Paul and Lilah Newton Brain Science 

497 

Award (Y.L.); NIH grant RF1MH124605 (Y.K.); NIH grant DC014701 (R.Y. & Y.L.); NIH grants NS123710, 

498 

NS115543, and MH116673 (Y.L.). 

499 

 

500 

AUTHOR CONTRIBUTIONS 

501 

Y.L.  conceived  and  supervised  the  study.  Y.C.  and  Y.L.  made  the  Npas4-Cre  mouse.  J.X.  and  Y.L. 

502 

designed the experiments. J.X. performed or participated in most of the experiments. A.B. participated in 

503 

most of the experiments and performed imaging quantification, VPA model, and EE-related experiments. 

504 

J.T. conducted scRNA-seq data analysis and participated in statistical data analysis. T.Y. conducted the 

505 

electrophysiology experiments. K.N. and Y.K. established the young mouse brain templates and whole-

506 

brain imaging analysis pipeline, and analyzed the whole-brain imaging data. Y.A. established the scRNA-

507 

seq analysis pipeline. Q.Q. and R.Y. conducted the naris occlusion experiments. J.X, J.T., and Y.L. wrote 

508 

the manuscript with inputs from all the authors.  

509 

 

510 

DECLARATION OF INTERESTS 

511 

The authors declare no competing interests. 

512 

 

 

513 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

FIGURES 

514 

 

515 

Figure 1. DevATLAS reveals the sequence of asynchronous circuit activation 

516 

(A) The design of DevATLAS.  

517 

(B)  DevATLAS  (Npas4-Cre;Ai14)  signal  is  selectively  triggered  by  neuronal  activity.  Cultured 

518 

hippocampal neurons were treated with extracellular stimuli at DIV4 and the percentage of tdT-labeled 

519 

neurons (NeuN+) was quantified at DIV 6. tdT, tdTomato. 

520 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

(C)  The  time  course  of  the  appearance  of tdT-labeled  neurons  in  CA1  after  Pentylenetetrazol  (PTZ)-

521 

induced seizure (100mg/kg) in P7 DevATLAS (Npas4-Cre;Ai75) mice. 

522 

(D)  Parasagittal  brain  sections  of  DevATLAS  (Npas4-Cre;Ai75)  mice  showing  tdT  labeling  at  seven 

523 

developmental ages.  

524 

(E-H) tdT labeling in hypothalamus (HY) (E), striatum dorsal region (STRd) (F), primary motor area (MOp) 

525 

(G),  and  hippocampus  (HPC)  (H)  at  seven  developmental  ages.  PVH,  paraventricular  hypothalamic 

526 

nucleus; ARH, arcuate hypothalamic nucleus; WM, white matter; SP, subplate; CP, cortical plate; DG, 

527 

dentate gyrus. Division of the STRd into four quadrants: DL, dorsal lateral; VL, ventral lateral; DM, dorsal 

528 

medial; VM, ventral medial. 

529 

(I)  Quantification  of  tdT  labeling  across  11  brain  regions  at  seven  developmental  ages.  VPM,  ventral 

530 

posteromedial nucleus of the thalamus; PIR, piriform cortex; VISp, primary visual cortex; mPFC, medial 

531 

prefrontal cortex. n=4-5 mice per age. 

532 

(J)  Schematic  depicting  the  three  waves  of  spontaneous  retina  activity  during  development.  Modified 

533 

according to Bansal et al., 2000.

39

 

534 

(K) Representative images show tdT labeling in mouse retinas from P7 to P14. GCL, ganglion cell layer; 

535 

INL, inner nuclear layer; ONL, outer nuclear layer. 

536 

(L) Diagram for unilateral enucleation, performed at P1.  

537 

(M  and  N)  Representative  images  (M)  and  quantification  (N)  showing  decreased  tdT  labeling  in  the 

538 

contralateral  dorsal  lateral  geniculate  nucleus  (dLGN)  following  the  enucleation,  as  compared  to  the 

539 

ipsilateral side (Control). 

540 

Data are shown as mean Â± SEM. ****p < 0.0001. See also Figure S1 and statistical data in Table S1. 

541 

 

 

542 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

543 

Figure 2. DevATLAS

 

labeling follows the sequence of circuit assembly 

544 

(A) Schematic of tdT labeling sequence in STRd. 

545 

(B) Presynaptic markers co-localize to tdT-labeled striatal regions at P0. Tyrosine hydroxylase (TH) labels 

546 

the  projection  terminals  of  dopaminergic  neurons;  vglut1  and  vglut2  label  the  projection  terminals  of 

547 

glutamatergic neurons in cortex and thalamus, respectively. 

548 

(C-D)  Schematic  (C)  and  representative  images  (D)  of  thalamocortical  inputs  from  VPM  to  primary 

549 

somatosensory area, barrel field (SSp-bfd) layers during early postnatal ages. The colors indicate the 

550 

timing of tdT labeling in development with the darker red meaning earlier labeling, and lighter red meaning 

551 

later labeling. The age of initial tdT labeling is to the right of each layer. 

552 

(E-F)  Schematic  (E)  and  representative  images  (F)  of  hippocampal  tdT  labeling  sequence  during 

553 

development. DGo, dentate gyrus outer shell; DGi, dentate gyrus inner core. 

554 

(G) Experimental scheme. AAVs were injected into entorhinal cortex (EC) of DevATLAS (Npas4-Cre;Ai75) 

555 

mice at P1 to express tetanus toxin (TeNT) and block neurotransmission from EC to DG. 

556 

(H and I) Representative images (H) and quantification (I) showing a dramatic reduction in tdT labeling 

557 

by TeNT, compared to GFP-expressing controls. 

558 

Data are shown as mean Â± SEM. **p < 0.01. See also Figure S2 and statistical data in Table S1. 

559 

 

 

560 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

561 

Figure 3. DevATLAS-labeled neurons are functionally more mature 

562 

(A and B) Representative images (A) and quantification (B) of the enrichment of mature neurons in tdT-

563 

labeled  (tdT+)  population  in  the  STRd  (P0-1)  of  DevATLAS  (Npas4-Cre;Ai14)  mice.  DARPP-32  is  a 

564 

maturation marker of medium spiny neurons (MSNs). 

565 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

(C) tdT+ MSNs display a significantly more hyperpolarized resting membrane potential, lower reversal 

566 

potential of GABA responses (E

GABA

), lower cellular Cl

-

 concentration, and higher GABA driving force 

567 

than tdT- MSNs at P7. 

568 

(D  and  E)  At  P7,  tdT+  MSNs  showed  significantly  higher  mEPSC  (D)  and  mIPSC  (E)  frequencies 

569 

compared to tdT- MSNs. Representative traces are shown on the top. 

570 

(F and G) Representative images (F) and quantification (G) of the enrichment of mature neurons in tdT+ 

571 

population in the DG of P14 DevATLAS (Npas4-Cre;Ai14) mice. All tdT+ neurons are expressing granule 

572 

cell (GC) maturation marker, Calb1 (Calbindin 1). DCX, Doublecortin. 

573 

(H  and  I)  At  P14,  tdT+  GCs  showed  significantly  higher  mEPSC  (D)  and  mIPSC  (E)  frequencies 

574 

compared to tdT- GCs. Representative traces are shown on the top. 

575 

(J) Schematic of Fos labelling after contextual fear conditioning in the DG of DevATLAS (Npas4-Cre;Ai14) 

576 

mice. 

577 

(K and L) Representative images (K) and quantification (L) showing that contextual learning exclusively 

578 

activates tdT+ neurons at P20. White arrows indicate Fos+/tdT+ neurons.  

579 

Data are shown as mean Â± SEM. *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. See statistical data 

580 

in Table S1. 

581 

 

 

582 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

583 

Figure  4.  Spatiotemporal  mapping  of  circuit  maturation  during  early  development  across  the 

584 

whole-brain 

585 

(A) Schematic of the whole-brain clearing, imaging, and data analysis pipeline.  

586 

(B) Developmental brain templates were sequentially registered to establish anatomical labels at each 

587 

age. 

588 

(C) Averaged tdT signals overlaid onto age matched template brains. 

589 

(D) Dataset navigation in the synchronized template registration, autofluorescence, average tdT signal, 

590 

and  raw  tdT  signal  image.  The  pointers  demonstrate  the  regions  of  interest  across  the  synchronized 

591 

images. 

592 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

(E) Representative lightsheet fluorescence microscope (LSFM) images with detected tdT signals in the 

593 

SSp-bfd and the VPM from P0 to P14. 

594 

(F) Representative LSFM images showing the tdT labeling different patterns observed in layer VI at P7. 

595 

SSp-ul,  primary  somatosensory  area,  upper  limb;  SSp-m,  primary  somatosensory  area,  mouth;  PL, 

596 

prelimbic area; RSPd, retrosplenial area, dorsal part.  

597 

(G) Averaged tdT signals in the brains of P7 mice treated with saline or valproic acid (VPA).  

598 

(H) Volcano plot showing brain regions with different signal density between the saline- and VPA-treated 

599 

mice. Red dots indicate regions with significant difference (FDR<0.05). n= 19 (saline) and 30 (VPA). 

600 

(I and J) Representative LSFM images with tdT signal (I) and manual quantification (J) showing VPA 

601 

treatment decreased tdT labeling in the layer VIa of SSp-bfd. 

602 

Data are shown as mean Â± SEM. ****p < 0.0001. See also Figure S3 and statistical data in Table S1. 

603 

 

 

604 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

605 

Figure 5. Enriched environment facilitates the circuit maturation in the hippocampus 

606 

(A-C) Schematic (A), representative images (B), and quantification (C) of DG tdT signal after standard 

607 

housed (SH)- and early enriched environment (EE)-rearing. 

608 

(D) Experimental scheme to test hippocampus-dependent learning capability in SH- and early EE-

609 

reared mice. 

610 

(E) SH-reared mice start displaying significant memory retention starting from P24. 

611 

(F) EE-reared mice display significant improvement in 1-day and 7-day memory recall by P20. 

612 

(G and H) mEPSC (G) and mIPSC (H) frequency and amplitude are not different between SH- and EE-

613 

reared mice at P20-P21, regardless of tdT labeling. Representative traces are shown on the top. 

614 

Data are shown as mean Â± SEM. *p < 0.05, ***p < 0.001, ****p < 0.0001, ns, not significant. See also 

615 

Figure S4 and statistical data in Table S1. 

616 

 

 

617 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

618 

Figure  6.  Dentate  gyrus  granule  cell  maturation  linked  to  activity-dependent  transcription 

619 

programs 

620 

(A) Schematic of DG single-cell sequencing experiment. 

621 

(B) UMAP plot of single-cell data (n= 19,047 cells) with cell type annotations. GC, granule cell; Trans., 

622 

transition; prog., progenitor; RGL, radial glia-like cells; Olig., oligodendrocyte. 

623 

(C) UMAP view of RNA expression of neuronal immature markers (DCX; CaMKIV, Calcium/Calmodulin 

624 

Dependent Protein Kinase IV), maturation marker (Calb1), and tdT. 

625 

(D) The proportion of tdT+ GCs at each age reflects previous 

in vivo

 quantification in Figure 5D. Total 

626 

cell number: P14, n=1134; P20, n= 2048; P24, n= 2355. tdT+ cell number: P14, n=121; P20, n=722; P24, 

627 

n=1257. 

628 

(E)  Four  clusters  of  GCs  identified  using  Louvain  clustering  fall  within  a  single  pseudotime  trajectory 

629 

indicated by a black line. Total cell number: Nascent, n=780; Trans., n=1521; Growth, n=2332; Synaptic, 

630 

n=904. 

631 

(F) Gene set enrichment analysis (GSEA) identified unique biological contributions of three GC clusters 

632 

(excluding trans. GC). The proportion of the colors within the node denotes the contribution of genes from 

633 

each cluster

.

 Edge width reflects the strength of term similarity (based on shared constituent genes). 

634 

(G) A stacked histogram of GCs across binned pseudotime (100 equally sized bins) indicates that GC 

635 

clusters  reflect  progressive  developmental  and  reveals  preferential  localization  of  tdT+  GCs  towards 

636 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

mature pseudotime endpoint. tdT+ cell number: Nascent, n=2; Trans., n=130; Growth, n=1230; Synaptic, 

637 

n=873. 

638 

(H) Activity-regulated gene (ARG) expression across binned pseudotime reveals distinct groups of ARGs 

639 

are associated with specific GC developmental stages. Synaptic GC population shows the most robust 

640 

expression of ARGs. 

641 

(I)  GSEA  network  of  DEGs  increased  in  tdT+  GCs  across  all  three  ages  reveals  a  tdT  phenotype  of 

642 

presynaptic and postsynaptic functional maturity and activation of specific signaling pathways related to 

643 

Ras,  GABA,  apoptosis,  and  energy  metabolism.  Node  size  indicates  the  number  of  enriched  genes 

644 

contributing to that term. Edge width reflects the strength of term similarity (based on shared constituent 

645 

genes).  

646 

 

 

647 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

SUPPLEMENTARY FIGURES 

648 

 

649 

Figure S1. Characterization of tdT labeling in the DevATLAS  

650 

(A) Representative images showing tdT labeling in CA1  0h, 6h, 12h, 18h, and 48h after injections of 

651 

saline  and  PTZ  at  P7  in  DevATLAS  (Npas4-Cre;Ai75)  mice.  The  bottom  panel  shows  tdT  antibody 

652 

staining in the PTZ condition. 

653 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

(B)  tdT  labeling  is  neuron  specific.  Representative  images  of  brain  slices  from  seizure-induced 

654 

DevATLAS (Npas4-Cre;Ai75) mice (P7) stained with a neuronal marker (NeuN) at P9. The DG, CA3, 

655 

CA1,  and  superficial  layers  of  SSp-bfd  are  shown  in  the  panels,  with  NeuN  staining  shown  in  green. 

656 

White arrows indicate the overlapping signals between NeuN staining and tdT. 

657 

(C) Fos activation is not neuronal specific. Representative images of NeuN staining (in red) using P7 

658 

brain  slices  from  home  cage  Fos-tTA;TRE-H2BGFP  mice.  Dash  circles  indicate  the  non-overlapped 

659 

signals between NeuN staining and tdT signal. 

660 

(D and E) tdT labeling in the hindbrain from P0 to P28 with anatomical reference to Allen adult mouse 

661 

brain  atlas.  PB,  parabrachial  nucleus;  SOC,  superior  olivary  complex;  PG,  pontine  gray;  IO,  inferior 

662 

olivary complex; TRN, tegmental reticular nucleus; CBX, cerebellar cortex. 

663 

(F)  Quantification  of  tdT  labeling  across  11  brain  regions  grouped  into  subcortical,  cortical,  and 

664 

hippocampus regions at seven developmental ages. Data is replotted from Figure 1I. 

665 

(G) Experimental scheme of standard housing (SH) and dark rearing (DR). 

666 

(H and I) Representative images (H) and quantification (I) showing decreased tdT labeling in retinas in 

667 

dark-reared mice at P16. 

668 

(J and K) Representative images (J) and quantification (K) demonstrating decreased tdT labeling in the 

669 

dLGN of the DR-reared mice compared to SH-reared mice at P16. 

670 

(L) tdT labeling in olfactory pathway associated regions from P0 to P14 mice. MOB, main olfactory bulb; 

671 

AON, anterior olfactory nucleus; PIR, piriform cortex; OT, olfactory tubercle; ENTl, entorhinal area, 

672 

lateral part; ENTm, entorhinal area, medial part; GL, glomerular layer; EPL, external plexiform layer; 

673 

MCL, mitral cell layer; GCL, granule cell layer. 

674 

(M) Schematic showing the unilateral naris occlusion experiments. 

675 

(N and O) Representative images (N) and quantification (O) showing the reduced tdT labeling in MOB 

676 

after naris occlusion. 

677 

(P and Q) Representative images (P) and quantification (Q) showing the reduced tdT labeling in PIR after 

678 

naris occlusion. 

679 

Data are shown as mean Â± SEM. *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. See statistical data 

680 

in Table S1. 

681 

 

 

682 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

683 

Figure S2. Identify the circuit maturation using markers staining 

684 

(A) tdT-labeled regions co-localized with striosome in STRd at P0, indicated by a neonatal striosome 

685 

marker (Darpp32). 

686 

(B) Presynaptic markers showed labeling in matrix region of STRd at P7. 

687 

(C and D) Layer V marker (CTIP2) shows SSp-bfd tdT labeling initiated at layer VI, followed by layer IV 

688 

at P4 (C) and P7 (D). 

689 

(E) CA2 (indicated by CA2 marker PCP4) and CA3a exhibited tdT labeling at P7. 

690 

 

 

691 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

692 

Figure S3 Whole-brain imaging dataset navigation, clustering, and VPA model validation 

693 

(A  and  B)  Dataset  navigation  in  coronal  (A)  and  horizontal  (B)  views  with  the  synchronized  template 

694 

registration, autofluorescence and average tdT signal. 

695 

(C) Four clusters are identified in hierarchical clustering based on the averaged tdT density in each region 

696 

from the brains of P0, P7, P14, P21, and P28 mice. Brain regions are color-coded and shown between 

697 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

the dendrogram and heatmap. The regions matching those manually quantified in Figure 1I are marked 

698 

with red arrows. The fasciola cincerea and induseum griseum are marked with blue arrows. 

699 

(D) Quantification of the distinct tdT labeling patterns between layer VIa and VIb across different cortical 

700 

regions at P7. 

701 

(E) Timeline of saline and VPA injection, body weight measurement and behavioral testing.  

702 

(F) VPA-treated mice, compared to the saline group, showed decreased body weight at P0, increased 

703 

surface righting reflex at P7, and a decrease in ultrasonic vocalization at P9. 

704 

Data are shown as mean Â± SEM. *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. See statistical data 

705 

in Table S1. 

706 

 

 

707 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

708 

Figure S4. Behavior validation between SH- and EE-reared mice 

709 

(A) EE-reared mice open their eyes earlier than SH-reared mice. 

710 

(B) EE-reared mice exhibit greater locomotion compared to SH-reared mice at P10. 

711 

Data are shown as mean Â± SEM. **p < 0.01. See statistical data in Table S1. 

712 

 

 

713 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

714 

Figure S5. Identification of clusters and tdT status in single-cell data

 

715 

(A) UMAP plotting showing the number of UMI (unique molecule identifier), genes, mitochondrial fraction, 

716 

and age (P14, P20, P24) information for each cell. Mean Â± SD UMI (raw RNA) = 18,049±9,584, mean Â± 

717 

SD number of genes (raw RNA) = 4,721±1,205, mean Â± SD mitochondrial fraction = 0.037±0.016. 

718 

(B) Cell number plotting of projected cell clusters and native cell clusters to validate cluster consistency.  

719 

(C) Expression of cell type markers across annotated clusters. 

720 

(D) tdT status threshold for each cell set as 2 counts after SCTransform. Cell number fractions (Fn) were 

721 

plotted based on the tdT counts (left), and cell numbers were plotted based on the tdT counts (right). The 

722 

red line shows the threshold setting.  

723 

(E) The proportion of tdT-labeled GCs in each subclusters. Nascent tdT+ n=2, Trans tdT+=130, Growth 

724 

tdT+ n=1230, Synaptic tdT+ n=738. 

725 

(F) UMAP plotting showing tdT status of cell samples from different ages.  

726 

(G) Expression of top GC cluster markers. 

727 

(H) Across all ages, tdT+ GCs display a more mature developmental status than tdT- GCs according to 

728 

pseudotime analysis. The proportion of population is shown on the y-axis. P14, p<1e-8; P20, p<2.2e-16; 

729 

P24, p<2.2e-16. 

730 

 

731 

TABLES 

732 

Table S1. Statistical Table 

733 

Table S2. Whole-brain imaging quantification 

734 

Table S3. Filtered brain regions for hierarchical clustering 

735 

Table S4. VPA whole-brain imaging comparison 

736 

Table S5. Gene expression information for single-cell analysis  

737 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

KEY RESOURCES TABLE 

738 

REAGENT or RESOURCE 

SOURCE 

IDENTIFIER 

Antibodies 

Mouse monoclonal anti-NeuN Antibody, clone 
A60 

emdmillipore 

MAB377X  

Rabbit polyclonal anti-RFP 

Rockland 

600-401-379 

Rabbit monoclonal anti-DARPP32 (19A3) 

cell signaling 

2306, RRID:AB_823479 

Rabbit polyclonal anti-Calbindin D-28K

 

Sigma-Aldrich 

AB1778, 
RRID:AB_2068336 

Rabbit polyclonal anti-Doublecortin 
 

Synaptic Systems 

326 003,  
RRID:AB_2620067 

Chicken polyclonal anti-Tyrosine Hydroxylase 

Aves Labs 

TYH, 
RRID:AB_10013440 

Guinea pig polyclonal anti-VGLUT1 

Synaptic Systems 

135 304, 
RRID:AB_887878 

Rabbit polyclonal anti-VGLUT2 

Synaptic Systems 

135 403, RRID: 
AB_887883 

Rabbit polyclonal anti-PCP4 

Sigma-Aldrich 

HPA005792, 
RRID:AB_1855086 

Rabbit polyclonal anti-c-Fos 

Synaptic Systems 

226 003, 
RRID:AB_2231974 

Donkey anti-rabbit Alexa Fluor 647 

Thermo Fisher 
Scientific 

A-31573, 
RRID:AB_2536183 

Goat anti-rabbit Alexa Fluor 647 

Thermo Fisher 
Scientific 

A-21244, 
RRID:AB_2535812 

Goat anti-Mouse IgG1 Antibody, Alexa Fluor 
647 

Thermo Fisher 
Scientific 

A-21240, 
RRID:AB_2535809 

Goat anti-guinea pig IgG (H+L) Alexa Fluor 647 

Thermo Fisher 
Scientific 

A-21450, 
RRID:AB_141882 

Goat anti-rabbit Alexa Fluor 568 

Thermo Fisher 
Scientific 

A-11011, 
RRID:AB_143157 

Goat anti-rabbit Alexa Fluor 488 

Thermo Fisher 
Scientific 

A-11034, 
RRID:AB_2576217 

Donkey Anti-Chicken IgY (IgG) (H+L) Alexa 
Fluor 488 

Jackson 
ImmunoResearch 

703-545-155, 
RRID:AB_2340375 

Goat anti-rabbit Alexa Fluor 405 

Thermo Fisher 
Scientific 

A-31556, RRID: 
AB_221605 

Bacterial and virus strains  

AAV9-CaMKII-tTA 

This manuscript 

N/A 

AAV9-TRE-GFP 

This manuscript 

N/A 

AAV9-TRE-TeNT-GFP 

This manuscript 

N/A 

Chemicals, peptides, and recombinant proteins 

Tetrodotoxin 

Tocris 

1069 

APV 

Tocris 

3693 

Forskolin 

Tocris 

1099 

Recombinant Human BDNF 

Pepro Tech 

450-02 

Recombinant Human NT-3 

Pepro Tech 

450-03 

Recombinant Human NT-4 

Pepro Tech 

450-04 

CNTF 

Pepro Tech 

450-13 

VEGF 

R&D Systems 

293-VE-010 

PFA 

Sigma-Aldrich 

P6148-1KG 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

DAPI 

Thermo Fisher 
Scientific 

D1306 

PTZ 

Pentylenetetrazole 

P6500-50G 

Tamoxifen 

Sigma-Aldrich 

T5648 

Picrotoxin 

Tocris 

1128 

DNQX 

Tocris 

2312 

RNasin Plus 

Promega 

N2615 

Tetrahydrofuran anhydrous (THF) 

Sigma-Aldrich 

401757 

Triethylamine 

Sigma-Aldrich 

90335 

dibenzyl ether (DBE) 

Sigma-Aldrich 

33630 

Valproic acid (VPA) 

Sigma-Aldrich 

P4543 

Papain 

Worthington 
Biochemical 

LS003126 

Actinomycin D 

Sigma-Aldrich 

A1410 

Anisomycin 

Sigma-Aldrich 

9789 

Triptolide 

Sigma-Aldrich 

T3652 

BSA 

Sigma-Aldrich 

1266909 

Triton X-100 

Sigma-Aldrich 

T9284 

Normal donkey serum 

Jackson Immuno 
Research 

017-000-121 

Critical commercial assays 

High sensitivity DNA kit 

Agilent Technologies  5067-4626 

Dead Cell Removal Kit 

Miltenyi biotec 

130-090-101 

Genomics Single Cell 3' Reagent Kits V3.1 

10X genomics 

PN-1000128 

Single Index Kit T Set A 

10X genomics 

PN-1000213 

Experimental models: Organisms/strains 

Mouse: C57BL/6 

The Jackson 
Laboratory 

027 

Mouse: Npas4-Cre 

This manuscript 

N/A 

Mouse: Npas4-CreER 

This manuscript 

N/A 

Mouse: Ai14 

The Jackson 
Laboratory 

007914 

Mouse: Ai75 

The Jackson 
Laboratory 

025106 

Mouse: Fos-tTA 

The Jackson 
Laboratory 

108306 

Mouse: pTRE-H2BGFP 

The Jackson 
Laboratory 

005104 

Software and algorithms 

Clampex 10.2 

Molecular Devices 

https://www.moleculard
evices.com 

Clampfit 10.2 

Molecular Devices 

https://www.moleculard
evices.com 

MiniAnalysis 

Synaptosoft 

http://www.synaptosoft.c
om 

Prism 

GraphPad 

https://www.graphpad.c
om 

SAS Prolab recording software 

AviSoft 

https://www.avisoft.com/ 

ANY-Maze software 

ANY-Maze 

https://www.any-
maze.com/ 

ImageJ (Fiji) 

88

 

https://fiji.sc/ 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

Illustrator 

Adobe systems 

https://www.adobe.com/ 

Cellranger 

10X genomics 

https://www.10xgenomic
s.com/ 

scrublet 

92

 

https://github.com/swolo
ck/scrublet 

scanpy 

93

 

https://github.com/scver
se/scanpy 

R (v4.1.0) 

R Core Team (2021) 

https://www.R-
project.org/ 

Seurat V4 

94

 

https://github.com/satijal
ab/seurat 

edgeR 

95

 

https://bioconductor.org/
packages/release/bioc/h
tml/edgeR.html 

Slingshot 

96

 

https://bioconductor.org/
packages/release/bioc/h
tml/slingshot.html 

Scater 

97

 

https://bioconductor.org/
packages/release/bioc/h
tml/scater.html 

MAST 

98

 

https://github.com/RGLa
b/MAST/ 

UpSetR 

99

 

https://CRAN.R-
project.org/package=Up
SetR 

clusterProfiler 

100

 

https://bioconductor.org/
packages/release/bioc/h
tml/clusterProfiler.html 

Other 
DAPI Fluoromount-G 

SouthernBiotech 

0100-20 

 

739 

RESOURCE AVAILABILITY 

740 

Lead contact 

741 

Further  information  and  requests  for  resources  and  reagents  should  be  directed  to  the  lead  contact: 

742 

Yingxi Lin (yingxi.lin@utsouthwestern.edu). 

743 

Materials availability 

744 

Animal lines and datasets generated in this study are available on the request from lead contact. 

745 

Data and code availability 

746 

All original codes will be available on Github. 

747 

 

748 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

 

749 

EXPERIMENTAL MODEL AND SUBJECT DETAILS

 

750 

Mouse line

 

751 

C57BL/6 mice were purchased from the Charles River Laboratory. Npas4-Cre and Npas4-CreER were 

752 

generated  in  this  study.  Ai14 

(

Gt(ROSA)26Sor

tm14(CAG-tdTomato)Hze

),  Ai75  (Gt(ROSA)26Sor

tm75.1(CAG-

753 

tdTomato*)Hze

), Fos-tTA (Tg(Fos-tTA,Fos-EGFP*)1Mmay), pTRE-H2BGFP (Tg(tetO-HIST1H2BJ/GFP)47Efu) 

754 

were purchased from the Jackson Laboratory. All mice have been backcrossed with wild-type animals 

755 

from the Charles River Laboratory. All mice were housed in a 12-hour light-dark cycle with unrestricted 

756 

access to food and water. Mice were weaned on postnatal day 21, unless otherwise specified. Post-

757 

weaning mice were housed by sex in groups of 3-5 until used for experiments. As standard practice, both 

758 

males and females were used in this study. Animal protocols were performed in accordance with NIH 

759 

guidelines and approved by the IACUCs of SUNY Upstate Medical University or Stowers Institute for 

760 

Medical Research. 

761 

 

762 

METHOD DETAILS 

763 

Cell culture 

764 

Cortical  primary  neuron  culture  was  prepared  from  Npas4Cre;Ai14  P1  brains  according  to  previous 

765 

publication.

28

 Neurons were plated on glass slides within 24-well plates with 150k neurons per slide and 

766 

one slide per well. Neurons were cultured in Neurobasal A medium (NBA, Invitrogen) supplemented with 

767 

B27  (Invitrogen),  GlutaMAX  (Invitrogen),  TTX  (0.5  mM,  Tocris),  and  APV  (50  mM,  Tocris),  and  were 

768 

maintained in a humidified incubator with 5% CO

2

 at 37°C. 

769 

On day in vitro (DIV) 4, the medium was removed and reserved, and neurons were stimulated with NBA 

770 

containing one of the following: KCl (50 mM), KCl+EGTA (5mM), forskolin (10 Î¼M, Tocris), BDNF (50 

771 

ng/ml, Pepro Tech), NT3 (50 ng/ml, Pepro Tech), NT4 (50 ng/ml, Pepro Tech), CNTF (100 ng/ml, Pepro 

772 

Tech), or VEGF (100 ng/ml, R&D Systems). After 1 hour of stimulation, the medium was replaced with 

773 

reserved  conditioned  medium.  On  DIV6,  neurons  were  fixed  in  4%  paraformaldehyde  (PFA)  (Sigma-

774 

Aldrich) in phosphate buffered saline (PBS) for subsequent imaging and quantification. 

775 

Viral vectors and titers 

776 

All vectors and viruses were prepared in house. To block the synaptic transmission from the entorhinal 

777 

cortex  to  the  dentate  gyrus,  AAV9-CaMKII-tTA  was  co-injected  with  AAV9-TRE-GFP  or  AAV9-TRE-

778 

TeNT-GFP into the medial entorhinal cortex and the lateral entorhinal cortex of postnatal 1-day (P1) mice. 

779 

Examination of tdT labeling was carried out at P16. 

780 

Stereotaxic Injection 

781 

Animals were gas-anesthetized using 1.5% isoflurane in O

2

 and received bi-lateral injections in the medial 

782 

entorhinal cortex and the lateral entorhinal cortex. The volume for injection was 36nl for each side. The 

783 

surgery animals were returned to their dam and sacrificed according to the procedure. 

784 

Euthanasia and tissue processing for fluorescent imaging 

785 

Npas4-Cre;Ai75 animals were used for all quantifications of tdT-labeled cells. Animals were euthanized 

786 

via exsanguination and were transcardially perfused with PBS followed by 4% PFA in PBS. Brains were 

787 

post-fixed in 4% PFA at 4°C overnight and then incubated in 30% sucrose at 4°C for 24 hours. Brains 

788 

were sectioned at 50 um using a cryostat (Leica). Corresponding brain slices were washed 3 times in 

789 

PBS. 

790 

To  quantify  tdT-labeled  cells  without  any  additional  antibody  staining,  tissue  slices  were  stained  with 

791 

DAPI (1 Î¼g/ml, Sigma-Aldrich) for 10 min, washed three times with PBS, and mounted on microscope 

792 

slides. 

793 

Euthanasia and tissue processing for electrophysiology  

794 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

Mice were anesthetized with isoflurane (P14 and P20) or on the ice (P7) and decapitated. Brains were 

795 

then immediately dissected out and cooled in ice-cold cutting solution containing 210 mM sucrose, 2.5 

796 

mM KCl, 1.24 mM NaH

2

PO

4

, 8 mM MgCl

2

, 1 mM CaCl

2

, 26 mM NaHCO

3

, 20 mM Glucose, and 1.3 mM 

797 

sodium-L-ascorbate, with ~340 mOsm osmolarity and pH of 7.3. After a few minutes, the brains were cut 

798 

into  300  Î¼M  transverse  slices  using  a  vibratome  (VT1200,  Leica).  Slices  were  then  immediately 

799 

transferred to a warm recovery solution (32°C) with 50% cutting solution and 50% ACSF. ACSF contains 

800 

119 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 1.24 mM NaH

2

PO

4

, 1.3 mM MgCl

2

, 2.5 mM CaCl

2

, 26 mM NaHCO

3

, and 10 

801 

mM glucose, with 305 mOsm osmolarity and pH of 7.3. After 12 minutes of recovery, the slices were 

802 

transferred  to  ACSF  (~25°C)  and  bubbled  with  carbogen  gas  (95%  O

2

  and  5%  CO

2

)  for  at  least  30 

803 

minutes at room temperature (RT).  

804 

Euthanasia and tissue processing for RNA sequencing 

805 

For scRNA-seq, a similar approach was employed when collecting brain samples. Artificial cerebrospinal 

806 

fluid  (ACSF)  was  prepared  prior  to  collecting  the  samples  and  was  modified  according  to  a  previous 

807 

publication.

86

  ACSF contains 124 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 1.2 mM NaH

2

PO

4

,  24  mM  NaHCO

3

,  5  mM 

808 

HEPES, 13 mM glucose, 2 mM MgSO

4

, and 2 mM CaCl

2

. A cocktail of chemicals was added into ACSF, 

809 

including 1 Î¼M TTX (Sigma), 100 Î¼M APV (Tocris), 1 Î¼M DNQX (Tocris), 5 Î¼g actinomycin D (Sigma) 

810 

per  mL,  10  Î¼g  anisomycin  (Sigma)  per  ml,  and  10  Î¼M  triptolide  (Sigma).  ACSF  was  bubbled  with 

811 

carbogen gas (95% O

2

 and 5% CO

2

) for at least 15 minutes prior to use. 

812 

Mice  were  anesthetized  with  isoflurane  (P14,  P20,  P24)  for  5  minutes  and  then  euthanized  by 

813 

exsanguination and perfused with ice-cold ASCF. The brain was rapidly dissected and sliced into 400 

814 

μm sections using a vibratome, with ACSF used as the cutting solution. Brain slices were then processed 

815 

according to the single-cell protocol. 

816 

Immunohistochemistry 

817 

After three washes in PBS, brain slices were incubated in blocking buffer containing 10% goat serum and 

818 

1% Triton-X100 (Sigma-Aldrich) in PBS at RT for 2 hours. Subsequently, the sections were incubated 

819 

with primary antibodies in staining buffer (5% goat serum and 0.1% Triton-X100 in PBS) at 4°C overnight. 

820 

After primary incubation, the sections were washed three more times in PBS and then were incubated 

821 

with secondary antibodies in 5% goat serum and 0.1% Triton-X100 in PBS at RT for 2 hours. After a final 

822 

series  of  the  three  PBS  washes,  the  sections  were  mounted  on  microscope  slides  with  DAPI 

823 

Fluoromount-G (SouthernBiotech) and covered with coverslips. The following primary antibodies were 

824 

used: rabbit polyclonal anti-c-Fos (1:2000, Synaptic System), mouse monoclonal IgG1 anti-NeuN (1:500, 

825 

emdmillipore), and rabbit polyclonal anti-RFP (1:500, Rockland). The secondary antibodies used were 

826 

anti-primary species with Alexa Fluor 568 and 647 (1:500, Thermo Fisher Scientific). 

827 

Brain slice imaging and quantification 

828 

For most brain regions, we acquired images with 10X and 20X objective lens using image stitching. For 

829 

the dentate gyrus (DG), we acquired images with an 60X objective lens due to high cell density. Manual 

830 

image  quantification  was  performed  using  ImageJ  software.  Images  were  cropped,  annotated,  and 

831 

arranged using Adobe Illustrator software (Adobe systems). 

832 

Inducing postnatal seizures 

833 

To induce seizure, P7 animals were intraperitoneally (IP) injected with PTZ (dissolved in sterile saline, 

834 

~7.2 of pH) with a dosage of 100 mg/kg. As a control, littermates were injected with saline. Animals were 

835 

euthanized and perfused at 0h, 6h, 12h, 18h, and 48 h (hours) after injection. Brains were post-fixed with 

836 

4% PFA at 4°C overnight.  

837 

Visual-dependent sensory experiments  

838 

To  examine  the  role  of  retinal  activity  on  circuit  development,  unilateral  or  bilateral  enucleation  was 

839 

performed on P1 pups. All surgical tools were sterilized with 70% ethanol. Animals were injected with 

840 

buprenorphine ER (0.04mg/kg) 10 minutes before the procedure and then anesthetized on ice for one 

841 

minute. After verifying the extent of anesthesia with a toe-pinch, the skin around the eyes was sterilized 

842 

with  70%  ethanol.  The  eyelids  were  then  opened  with  a  scalpel  to  expose  the  eye  which  was  then 

843 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

carefully excised from the orbit with forceps and scissors under a dissection scope. Following eye removal, 

844 

cotton tips were used to soak up blood and provide light pressure on the orbit to stop bleeding. The eyelid 

845 

was closed with forceps and sealed using approximately 5 Î¼l of Vetbond glue (3M, MN, USA). After the 

846 

surgery, animals were transferred to a heating pad for recovery. During recovery, a thin coat of lidocaine 

847 

hydrochloride jelly USP, 2% (Akorn, Lake Forest, IL, USA) was applied to the eyelid to prevent pain. 

848 

Once recovered, the pups were returned to the home cage with the dam. Brain samples were collected 

849 

according to the experiment design. 

850 

To examine the impact of spontaneous retinal activity on circuit development, a cohort of animals were 

851 

raised in a light-tight container in a dark room from P5 to P16. Control animals for dark rearing experiment 

852 

were raised under 12h:12h light-dark cycle in standard animal facility conditions. Brain samples were 

853 

collected at P10 or P16 according to the experimental design. To validate the light deprivation, an X-ray 

854 

film was placed in the same box and developed at the end of deprivation to indicate the presence of light 

855 

contamination. 

856 

Olfactory deprivation: unilateral naris occlusion 

857 

Unilateral naris occlusion was performed at P0. Pups were anesthetized on ice for one minute. After 

858 

verifying the extent of anesthesia with a toe-pinch, animals were immediately subjected to electrocautery 

859 

for ~2s on left or right side of nostril under a dissection scope. During the procedures, any contact of skin 

860 

surface with electrocautery device was avoided. Pups were then recovered on a heat pad until they woke 

861 

up and transferred to the dam. The nose were immersed in water daily to check for air bubbles to ensure 

862 

nasal blockage of the cauterized nostril. Brain samples were collected at P4. 

863 

Electrophysiology 

864 

Electrophysiological  measurements  of  developing  neurons  were  performed  at  specific  developmental 

865 

timepoints: striatal measurements were collected at P7, and DG measurements were collected at P14 

866 

and P20. All recordings were performed in a system that continuously perfused with carbogenated ACSF 

867 

at RT with a flow rate of 2 mL/min. Slices were gently placed and fixed in the recording chamber, and 

868 

tdT-labeled cells were identified using a laser. Borosilicate glass pipettes with 3-6 MU tip resistance were 

869 

used for recording. Data were collected using a Multiclamp 700B (Molecular Devices), filtered at 3 kHz 

870 

and  digitized  at  10  kHz  using  a  Digidata  1440A  and  Clampex  10.2  software  (Molecular  Devices). 

871 

mEPSCs were pharmacologically isolated with 0.5 mM tetrodotoxin (TTX, Tocris) and 50 mM picrotoxin 

872 

(Tocris) in the ACSF and recorded with voltage clamp mode at -70mV. The internal solution for mEPSC 

873 

contained 130 mM CsMeSO

3

, 10 mM phosphocreatine, 1 mM MgCl

2

, 10 mM HEPES, 0.2 mM EGTA, 4 

874 

mM  Mg-ATP,  and  0.5  mM  Na-GTP,  at  295  mOsm  osmolarity  with  pH  adjusted  to  7.25  using  CsOH. 

875 

mIPSC were pharmacologically isolated with ACSF containing 0.5 mM TTX and 50 mM APV (Tocris) and 

876 

20 mM DNQX (Tocris), with cells voltage clamped at -70mV. The high-Cl solution contained 103 mM 

877 

CsCl, 12 mM CsMeSO

3

, 5 mM TEA-Cl, 10 mM HEPES, 4 mM Mg-ATP, 0.5 mM Na-GTP, 0.5 mM EGTA, 

878 

and 1 mM MgCl

2

, at 295 mOsm osmolarity with pH adjusted to 7.25 using CsOH.. The resting membrane 

879 

potential,  reversal  potential  of  GABA  responses  (EGABA),  GABA  driving  force,  and  cellular  Cl- 

880 

concentration were measured according to previous publications.

101,102

 

881 

Data were blindly analyzed using MiniAnalysis (Synaptosoft) and Clampfit 10.2 (Molecular Devices). 

882 

Single-cell sequencing library preparation 

883 

The dissociation buffer was modified according to previous publication.

86

 Dissociation buffer contained 

884 

HBSS (Life Technologies) with 10 mM HEPES (Sigma-Aldrich), 172 mg kynurenic acid (Sigma-Aldrich) 

885 

per liter, 0.86 g MgCl

2

·6H2O per liter, and 6.3 g d-glucose per liter, pH adjusted to 7.35. Papain was 

886 

added to the dissociation solution with a final concentration of 20 U/ml. A cocktail of chemicals was added, 

887 

including 1 Î¼M TTX (Sigma-Aldrich), 100 Î¼M APV (Tocris), 1 Î¼M DNQX (Tocris), 5 Î¼g actinomycin D 

888 

(Sigma-Aldrich) per milliliter, 10 Î¼g anisomycin (Sigma-Aldrich) per milliliter, and 10 Î¼M triptolide (Sigma-

889 

Aldrich). Dissociation buffer bubbled with carbogen gas (95% O

2

 and 5% CO

2

) for at least 15 minutes 

890 

prior to use. 

891 

Brain slices were collected from P14 (one library), P20 (two libraries), and P24 (one library) for SH reared 

892 

mice, with two males and two females were contained in each library. The DG was dissected from the 

893 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

brain slices under a dissecting scope. The ACSF used for cutting was then replaced with a dissociation 

894 

buffer after samples had been collected from all animals. The dissected tissue was trimmed into small 

895 

pieces and then pipetted up-and-down twice with a 1 ml pipette tip and gently shaken at 37°C for 20 

896 

minutes. The dissociation buffer was then replaced with fresh, ice-cold dissociation buffer without papain. 

897 

The tissue pieces were then moved to a 15 ml Falcon tube and gently triturated with a 1 ml tip up-and-

898 

down for 10 times. The suspension was passed through a 40 Î¼m filter to remove clumps.  

899 

The filtered cell solution was centrifuged at 180 g for 3 minutes and washed four times with a dissociation 

900 

buffer  containing  0.04%  BSA.  Unhealthy  cells  were  removed  according  to  dead  cell  removal  kit 

901 

instructions (Miltenyi biotec). After the last wash, cells were resuspended in 100 Î¼l dissociation buffer 

902 

containing 0.04% BSA without any blockers. The cell suspension then passed through a 15 Î¼m filter to 

903 

remove any remaining clumps or debris and kept on ice. Manual cell counting was immediately performed 

904 

using a hemocytometer, and the volume of cell suspension needed for single-cell library preparation was 

905 

determined by cell density. Single-cell libraries were then made according to the 10X Genomics Single 

906 

Cell 3' Reagent Kits V3.1 User Guide (10X genomics). Libraries were indexed by Single Index Kit T Set 

907 

A (10X genomics). Multiple libraries were pooled and sequenced with Nova seq at Genomics Research 

908 

Center of University of Rochester. 

909 

Whole-brain clearing and imaging 

910 

We followed the FDISCO protocol to preserve endogenous tdT fluorescence from the developmental 

911 

brains of Npas4-Cre;Ai75 mice.

53

 P0, P4, P7 animals were anesthetized on ice and P10, P14, P21, and 

912 

P28 animals were anesthetized with isoflurane and then euthanized via exsanguination and transcardially 

913 

perfused with PBS and then 4% PFA in PBS. Brains were post-fixed in 4% PFA at 4°C overnight and 

914 

then washed in PBS three times for 1 hour each. The subsequent dehydration and clearing steps were 

915 

performed at 4°C with gentle shaking and without any light exposure. Samples were dehydrated in a 

916 

series of tetrahydrofuran anhydrous (THF, Sigma-Aldrich) solution concentrations for 12 hours at each 

917 

concentration (50%, 70%, 80%, and 100% volume). Each solution was diluted in ddH

2

O, and pH adjusted 

918 

to 9.0 with triethylamine (Sigma-Aldrich). A final step of dehydration was performed using 100% THF for 

919 

12 hours. Following dehydration, refractive index matching and clearing were achieved by washing brains 

920 

twice in dibenzyl ether (DBE, Sigma-Aldrich) for 3 hours each wash. The brains were either immediately 

921 

processed for imaging or stored in DBE at 4°C. The imaging data were collected on the same day. 

922 

Brains  were  imaged  using  a  lightsheet  fluorescence  microscope  (Ultramicroscope,  LaVision  BioTec, 

923 

Germany)  equipped  with  an  sCMOS  camera  (Andor  Neo,  model  DC-152Q-C00-FI)  and  a  2X  0.5 

924 

(Olympus MVPLAPO 2XC) objective lens with a 5.6mm working distance of optic correct organic solvent 

925 

resistance dipping cap. Samples were mounted on the imaging holder, and the merged imaging chamber 

926 

filled with DBE. Zoom body was adjusted to 1X magnification for imaging. Imaging stacks were acquired 

927 

using 3 Î¼m steps, and exposure times were varied according to the samples. Each sample was imaged 

928 

in two different channels, and duplicate images were taken for each channel. The tdT fluorescence was 

929 

obtained with an excitation filter 560/30nm and an emission filter 625/30nm. Sample autofluorescence 

930 

was collected for imaging registration with an excitation filter 475/39nm and an emission filter 525/50nm. 

931 

Whole-brain imaging developmental template transformation and signal detection

 

932 

To established an age-matched reference template, we first picked one best sample at each age. Since 

933 

LSFM  images  were  collected  in  hemispheres,  we  created  synthetic  full  brains  by  generating  mirror 

934 

imaged hemispheres and combining them with original hemispheres. We used Elastix

103

 to register all 

935 

samples in each age to one best represented sample. Then, we used intensity averaging of transformed 

936 

brains to create a reference template at each age. For anatomical labels, we performed sequential down-

937 

registration from P56 Allen Common Coordinate Frameworks to younger ages using Elastix.

51

 

938 

Image processing was carried out in Matlab (Mathworks). The background channel of each sample was 

939 

resized to 20x20x20 Î¼m

3

 stacks. The average autofluorescence of the entire brain in the background 

940 

channel was determined by masking pixels in the blank space as null values and excluding them from 

941 

the average. Each full resolution single plane image in both the foreground and background channel was 

942 

normalized  by  dividing  the  intensity  of  each  pixel  by  the  average  intensity  of  background.  Both  the 

943 

background and foreground channels were corrected using the flatfield correction algorithm (Matlab) with 

944 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

a 20-pixel area to account for spherical optical distortion introduced by an objective lens. For each full 

945 

resolution image, the background was subtracted from the foreground to remove vascular and other non-

946 

specific signals. A scaling factor was applied to account for overall intensity differences between channels. 

947 

For samples that were P10 or less, a correction factor of 0.75 was applied to the background image 

948 

before  subtraction.  For  samples  that  were  P14  to  P28,  a  correction  factor  of  0.5  was  applied  to  the 

949 

background  image  before  subtraction.  We  then  calculated  the  average  and  standard  deviation  of  the 

950 

corrected image and used one-half standard deviation above the average value as threshold for signals 

951 

to generate binarized images. 3D coordinates of detected signal voxels were assigned to the 20x20x20 

952 

μm

3

 space by dividing the coordinate values by corresponding resolution changes. Then the accumarray 

953 

function (Matlab) was used to count the number of signal voxels in 20x20x20 Î¼m

3

 space. The amount of 

954 

signals was saved as relative percentage occupancy per voxel to represent signal intensity. These values 

955 

were saved into a 20 Î¼m isotropic voxel image across the brain. To quantify signals in anatomical regions 

956 

of interest (ROI), we used Elastix to register individual samples to aged matched template brain at 20 Î¼m 

957 

isotropic resolution.

51,103

 The relative occupancy of summed positive signals per anatomical areas was 

958 

used to represent signal intensity in each ROI. 

959 

All the whole-brain imaging raw and processed data, along with the new developmental brain templates, 

960 

can  be  freely  accessible  at  Mendeley  data  (DOI:  10.17632/m8n8thxxyf.1),  BrainImageLibrary 

961 

(BrainImageLibrary.org). 

962 

Prenatal Valproic acid (VPA) model NDD model 

963 

Timed pregnant mice (E12.5) were IP injected VPA (dissolved in sterile saline) with a dosage of 600mg/kg, 

964 

and saline was injected as a control.  

965 

Self-righting test was performed on VPA and saline treated cohorts using P7 pups as a measure of gross 

966 

development. Briefly, animals were gently positioned supine with all four limbs pointed upwards. Latency 

967 

to self-right was measured as the seconds from release until all four limbs touching ground. If the animal 

968 

had not achieved this position after 60 s, the animal was returned to prone manually, and a time of 60s 

969 

was recorded. The self-righting test was performed three times with one minute rest in between. The final 

970 

score is the average latency of the three tests. 

971 

Ultrasonic vocalizations emitted by mouse pups can be an early indication of social awareness. On P9, 

972 

the dam was removed from the housing cage and the pups were transported to a separate location for 

973 

30 minutes habituation in the testing room. Animals were then individually placed in a plastic cage, and 

974 

the cage was placed within a sound-attenuating chamber. Ultrasonic vocalizations were measured for 3 

975 

minutes using an UltraSoundGateCM16/CMPA microphone (AviSoft) and SAS Prolab recording software 

976 

(AviSoft). The number of vocalizations between 33-125 kHz was then counted. 

977 

Early environmental enrichment rearing 

978 

Time  pregnant  animals  (E12.5)  were  randomly  assigned  to  either  standard  or  early  environmental 

979 

enrichment (EE) housing condition. In the standard housing (SH) condition, one dam and the litter (with 

980 

a typical litter size around 6) were reared in a standard plastic cage (32.5 X 21 X 18.5 cm) with shredded 

981 

cotton bedding. The cage was changed weekly. In the EE condition, two pregnant dams and two stranger 

982 

adult females were housed in a larger plastic cage (50 X 36 X 28 cm), where various sensory stimuli 

983 

were  present,  such  as  variable  bedding  textures  (shredded  papers,  shredded  cotton,  corn,  shredded 

984 

wood),  visual  cues  (toys  of  different  colors  and  shapes),  and  olfactory  cues  on  wooden  cubes.  The 

985 

bedding and environment cues were changed daily. In addition, exploratory behavior was encouraged 

986 

with  the  wooden  cubes  of  various  sizes,  translucent  plastic  igloos,  plastic  tubes  and  tunnels,  and  a 

987 

running wheel. The SH- and EE-reared pups were weaned at P28. 

988 

For the EE experiments, postnatal SH- and EE-reared mice were monitored between P11 and P15 for 

989 

eye-opening. For each animal, the opening of one eye was scored as 1, the eye-opening scores ranged 

990 

from 0 to 2 per animal. 

991 

Open field 

992 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

Open  field  testing  was  performed  on  P10  for  both  EE-  and  SH-reared  mice.  Pups  and  dams  were 

993 

habituated for 30 minutes in the behavior space before testing. During the test, a 

single

 pup was placed 

994 

in the center of an open field chamber and allowed to freely explore for 10 min. The open field chamber 

995 

was made of polyvinyl chloride with dimensions of 42 x 42 x 42 cm. The chamber was cleaned with 70% 

996 

ethanol before each test. Pup locomotion and exploration was recorded and analyzed with Any-Maze 

997 

software. Pup exploration was measured by using a 5x5 (8.4 cm x 8.4 cm) square grid of the chamber 

998 

floor with the number of individual squares that the pup entered being totaled.

 

999 

Contextual fear conditioning (CFC) 

1000 

To examine hippocampal-dependent memory ability, CFC behavior testing was conducted on P17, P20, 

1001 

P24, and P28, with all training taking place before weaning. The animals and dam were habituated to 

1002 

handling in the pre-testing area for 3 days prior to CFC training. The CFC training and recall paradigms 

1003 

took 5 minutes and occurred in a testing room adjacent to the habituation area. Behavior tastings were 

1004 

performed at a consistent time of day. During training, animals were placed in a custom context box and 

1005 

allowed to explore for 1 min 58 seconds before receiving the first of a series of three 0.5 mA shocks, 

1006 

each lasting for 2 s with 1-minute intervals between shocks. Animals were removed from the context box 

1007 

one minute after the final shock and returned to the home cage with the dam.  

1008 

The CFC recall tests occurred 1 day and 7 days after training. All animals were only trained once and 

1009 

tested  twice.  The  following  training/1  day  recall/7  day  recall  groups  were  used  for  data  collection: 

1010 

P17/P18/P24, P20/P21/P27, P24/P25/P31, and P28/P29/P35. CFC recall involved the animals and dam 

1011 

being returned to habituation area and recall testing occurred individually. Animals were placed in the 

1012 

same context as training for 5 minutes without receiving any shocks. Contextual memory was assessed 

1013 

by measuring the freezing behavior displayed in the animals within this context. Freezing was defined as 

1014 

the  total  absence  of  movement  apart  from  respiration.  Video  recordings  were  also  made  to  confirm 

1015 

accuracy behavior quantification. All the recordings and analysis were performed blinded. 

1016 

Sequencing data analysis 

1017 

scRNA-seq data processing, clustering, and data integration 

1018 

Cellranger was used to demultiplex Libraries BCL files, analyze feature barcodes, and annotate resulting 

1019 

transcripts to the mm10 reference genome (UCSC genome browser), with modification to contain the tdT 

1020 

sequence at the Rosa26 loci.

32

 We identified possible doublets using Scrublet on each library individually 

1021 

and then concatenated all 4 libraries in scanpy.

92,93

  

1022 

Quality control thresholds were determined using scanpy. Cells were excluded if they were predicted to 

1023 

be a doublet or had a doublet score of >0.35. We excluded cells with greater than 60,000 reads (UMI 

1024 

counts) and less than 2,500 genes. All subsequent analysis was performed in R (v4.1.0). 

 

1025 

Seurat V4 was then used to determine cell types.

94

 SCTransform was first implemented to scale gene 

1026 

expression and in this step variance due to mitochondrial fraction was regressed out.

104

 Variable features 

1027 

were  selected  to  create  PCs  using  VST  method  of  FindVariableFeatures.  30  PCs  were  used  to  find 

1028 

neighbors, clusters, and UMAP dimensions. Clusters were then classified into cell types based on the 

1029 

expression of the indicated genes (Figure S5C).  

1030 

Next, we took steps to limit the potential for downstream analysis to be biased by over-clustered data. To 

1031 

do this we first split the single-cell dataset into neurons and non-neurons and generated new PCAs for 

1032 

the neuron datasets to better capture the genetic diversity of this important cell type. For both datasets, 

1033 

we used the FindTransferAnchors and TransferData functions to project cell cluster identities back onto 

1034 

the  same  single-cells  (using  the  same  data  as  both  reference  and  query  sets).  We  found  that  the 

1035 

projected cell types were very consistent with the originals (neurons: 95.0% accuracy, non-neurons: 99.4% 

1036 

accuracy).  As  desired,  some  cell  clusters  were  lost  when  projecting,  indicating  these  groupings  were 

1037 

likely the result of over-clustering (Figure S5B). A few remaining clusters were removed due to poor data 

1038 

quality: olig neuron, exclude (microglia), and high-mt GCs. Moving forward the projected cell clusters 

1039 

were used as the default (Figure S5C).  

1040 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

With the filtered cell population we calculated new PCs and UMAP using 20 PCs. This data we evaluated 

1041 

using the standard quality controls of mitochondrial fraction, number of genes, and number of counts 

1042 

(Figure S5A). We used the SCTransformed tdT counts to binarize tdT status at a threshold of 2 (Figure 

1043 

S5D). 

1044 

Finally,  the  granule  cells  (GCs)  were  isolated  based  on  cell  cluster  and  a  few  straggler  cells  were 

1045 

eliminated  based  on  UMAP  filters  (5,562  GCs).  We  then  normalized  the  SCT  counts  with  edgeR  to 

1046 

calculate  CPM  and  applied  a  log2  transformation.

95

  This  data  was  then  reformatted  as  a 

1047 

SingleCellExperiment to be compatible with downstream analysis.

105

  

1048 

We next filtered out genes that were present in <25% of GCs, leaving 7,904 genes (Table S5). These 

1049 

are the genes and expression values used for differential expression analyses. 

1050 

Cluster marker gene identification: 

1051 

We ran Seurat’s FindMarkers function on SCTransformed RNA values to identify cluster-specific gene 

1052 

markers.  Results  were  filtered  to  genes  that  were  present  in  at  least  25%  of  all  GCs  then  filtered  by 

1053 

adjusted p value < 0.0001 and average log2 fold change >0.5. This produced 484 nascent GC markers, 

1054 

14 transition GC markers, 102 growth GC markers, and 117 synaptic GC markers. The top markers for 

1055 

each group were selected based on the following criteria: 10 genes with the lowest adjusted p value, 10 

1056 

genes with the lowest minimum adjusted p value between SH and EE, 10 genes with the highest average 

1057 

log2FC, and 10 genes with the greatest difference in percent expression (vs other GC clusters). This 

1058 

produced 94 nascent GC markers, 13 transition GC markers, 25 growth GC markers, and 15 synaptic 

1059 

GC markers. Due to the large number of nascent GC markers with an adjusted p value equal to 0, nascent 

1060 

GC markers were re-generated without adjusted p value filters. This produced a total of 65 unique genes 

1061 

that are the top markers differentiating GC clusters (Figure S5G).

 

 

1062 

Trajectory analysis: 

1063 

To  reconstruct  the  cell-stage  transition  during  GC  development,  we  used  the  Slingshot  package  to 

1064 

generate pseudotime estimates from gene expression.

96

 Pseudotime analysis on PC representations of 

1065 

log2(CPM) gene expression

97

 indicated a single pseudotime trajectory that we used as an estimate of 

1066 

developmental  maturation  (Figure  6d).  When  examining  pseudotime  along  with  other  experimental 

1067 

outcomes, we used a binned version of the pseudotime measurement. For statistical comparison of tdT 

1068 

pseudotime at different ages and visualization as a cumulative distribution plot, 20% of the GCs were 

1069 

randomly sampled (P14 n= 223 (29 tdT+), P20 n= 405 (141 tdT+), P24 n= 479 (246 tdT+). Kolmogorov-

1070 

Smirnov tests were performed with a two-sided alternative hypothesis. 

1071 

Differential gene expression: 

1072 

We examined the CPM normalized log2 counts of 7,904 genes for significant differences based on our 

1073 

experimental variable of binarized tdT status. The MAST package was used to implement zero-inflated 

1074 

linear models testing for the experimental condition with consideration of library depth as a covariate.

98

 

1075 

For all differential expression analyses, significance was evaluated at an FDR < 0.0001. To consider the 

1076 

interaction of our experimental variables of tdT status with the biological variables of age and GC group, 

1077 

we split the GC population by these variables and created a separate model for each level. For age-

1078 

specific  analysis  significance  further  required  an  absolute  log2FC  of  0.3.  For  cluster-specific  analysis 

1079 

significance  further  required  an  absolute  log2FC  of  0.1.  The  UpSetR  package  was  used  to  visualize 

1080 

DEGs across ages.

99

 

1081 

Gene set enrichment analysis (GSEA):

  

1082 

The clusterProfiler package was used for GSEA of gene ontology biological processes terms.

100

 For all 

1083 

GSEA performed, our own whole-DG dataset was used to generate the universe background (19,025 

1084 

genes). For all GSEA performed, only results with adjusted p<0.05 were considered. 

1085 

Genes used for cluster-specific GSEA were derived from cluster markers (102 growth GC markers, 117 

1086 

synaptic GC markers). Given the inflated number of unique nascent GC markers, the 134 top markers 

1087 

were used. Transition GCs were not included in GSEA as this cluster did not demonstrate a sufficiently 

1088 

unique transcriptome from the other clusters. These gene lists generated 29 nascent GC terms, 32 growth 

1089 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

GC terms, and 44 synaptic GC terms. The top 10 non-redundant terms were chosen from each analysis 

1090 

and merged using clusterProfiler. These results are summarized in Figure 6F, where the color of the node 

1091 

indicates which analysis produced that significant term. Nodes with split colors indicate the presence of 

1092 

the term in more than one analysis and the proportion of the colors within the node denotes the proportion 

1093 

of genes contributed by each analysis.  

1094 

For tdT GSEA, we were more interested in a thorough characterization of enriched biological processes 

1095 

and so fewer filters were applied to the resulting terms. GSEA for tdT-labeled cells was performed on 

1096 

245 genes increased in tdT-labeled cells at all P14, P20, and P24.

 

1097 

Activity-regulated genes (ARGs): 

1098 

We compiled a list of ARGs based on three published datasets, indicating activity-induced transcription 

1099 

based on prolonged 

in situ

 stimulation,

87

 visual experience

86

 and a dependence on fos transcriptional 

1100 

activity.

106

 We isolated 423 genes upregulated based on sensory experience, 168 genes upregulated 

1101 

based  on 

in  situ

  stimulation,  and  123  genes  that  were  increased  in  more  than  one  experimental 

1102 

manipulation in Yap 2021. Of those, the following gene sets were also expressed in more than 25% of 

1103 

our GC samples: 219 sensory experience ARGs, 58 

in situ

 ARGs, and 83 fos-associated ARGs.  

1104 

We further limited this list to 21 depolarization induced genes (experience-dependent and 

in situ

, with 19 

1105 

also showing fos association), 64 fos-associated experienced-dependent ARGs, and 22 fos-associated 

1106 

stimulation-induced ARGs. Scater was used to generate the heatmap of these 107 ARG genes across 

1107 

pseudotime.

97

 

1108 

 

1109 

REFERENCES 

1110 

1. 

Sokolowski, K., and Corbin, J.G. (2012). Wired for behaviors: from development to 

1111 

function of innate limbic system circuitry. Front Mol Neurosci 

5

, 55. 

1112 

10.3389/fnmol.2012.00055. 

1113 

2. 

Tau, G.Z., and Peterson, B.S. (2010). Normal development of brain circuits. 

1114 

Neuropsychopharmacology 

35

, 147-168. 10.1038/npp.2009.115. 

1115 

3. 

Stiles, J., and Jernigan, T.L. (2010). The basics of brain development. Neuropsychol 

1116 

Rev 

20

, 327-348. 10.1007/s11065-010-9148-4. 

1117 

4. 

Goodman, C.S., and Shatz, C.J. (1993). Developmental mechanisms that generate 

1118 

precise patterns of neuronal connectivity. Cell 

72 Suppl

, 77-98. 10.1016/s0092-

1119 

8674(05)80030-3. 

1120 

5. 

Kolodkin, A.L., and Tessier-Lavigne, M. (2011). Mechanisms and molecules of neuronal 

1121 

wiring: a primer. Cold Spring Harb Perspect Biol 

3

. 10.1101/cshperspect.a001727. 

1122 

6. 

Winnubst, J., and Lohmann, C. (2012). Synaptic clustering during development and 

1123 

learning: the why, when, and how. Front Mol Neurosci 

5

, 70. 

1124 

10.3389/fnmol.2012.00070. 

1125 

7. 

Seng, C., Luo, W., and Foldy, C. (2022). Circuit formation in the adult brain. Eur J 

1126 

Neurosci 

56

, 4187-4213. 10.1111/ejn.15742. 

1127 

8. 

Parenti, I., Rabaneda, L.G., Schoen, H., and Novarino, G. (2020). Neurodevelopmental 

1128 

Disorders: From Genetics to Functional Pathways. Trends Neurosci 

43

, 608-621. 

1129 

10.1016/j.tins.2020.05.004. 

1130 

9. 

Iakoucheva, L.M., Muotri, A.R., and Sebat, J. (2019). Getting to the Cores of Autism. 

1131 

Cell 

178

, 1287-1298. 10.1016/j.cell.2019.07.037. 

1132 

10. 

Hall, L.S., Medway, C.W., Pain, O., Pardinas, A.F., Rees, E.G., Escott-Price, V., 

1133 

Pocklington, A., Bray, N.J., Holmans, P.A., Walters, J.T.R., et al. (2020). A 

1134 

transcriptome-wide association study implicates specific pre- and post-synaptic 

1135 

abnormalities in schizophrenia. Hum Mol Genet 

29

, 159-167. 10.1093/hmg/ddz253. 

1136 

11. 

Washbourne, P. (2015). Synapse assembly and neurodevelopmental disorders. 

1137 

Neuropsychopharmacology 

40

, 4-15. 10.1038/npp.2014.163. 

1138 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

12. 

Inoue, N., Nishizumi, H., Ooyama, R., Mogi, K., Nishimori, K., Kikusui, T., and Sakano, 

1139 

H. (2021). The olfactory critical period is determined by activity-dependent 

1140 

Sema7A/PlxnC1 signaling within glomeruli. Elife 

10

. 10.7554/eLife.65078. 

1141 

13. 

Ramsaran, A.I., Wang, Y., Golbabaei, A., Aleshin, S., de Snoo, M.L., Yeung, B.A., 

1142 

Rashid, A.J., Awasthi, A., Lau, J., Tran, L.M., et al. (2023). A shift in the mechanisms 

1143 

controlling hippocampal engram formation during brain maturation. Science 

380

, 543-

1144 

551. 10.1126/science.ade6530. 

1145 

14. 

Hooks, B.M., and Chen, C. (2020). Circuitry Underlying Experience-Dependent 

1146 

Plasticity in the Mouse Visual System. Neuron 

106

, 21-36. 

1147 

10.1016/j.neuron.2020.01.031. 

1148 

15. 

Hensch, T.K., and Bilimoria, P.M. (2012). Re-opening Windows: Manipulating Critical 

1149 

Periods for Brain Development. Cerebrum 

2012

, 11. 

1150 

16. 

Bethlehem, R.A.I., Seidlitz, J., White, S.R., Vogel, J.W., Anderson, K.M., Adamson, C., 

1151 

Adler, S., Alexopoulos, G.S., Anagnostou, E., Areces-Gonzalez, A., et al. (2022). Brain 

1152 

charts for the human lifespan. Nature 

604

, 525-533. 10.1038/s41586-022-04554-y. 

1153 

17. 

Kempermann, G., Song, H., and Gage, F.H. (2015). Neurogenesis in the Adult 

1154 

Hippocampus. Cold Spring Harb Perspect Biol 

7

, a018812. 

1155 

10.1101/cshperspect.a018812. 

1156 

18. 

Cossart, R., and Khazipov, R. (2022). How development sculpts hippocampal circuits 

1157 

and function. Physiol Rev 

102

, 343-378. 10.1152/physrev.00044.2020. 

1158 

19. 

Klune, C.B., Jin, B., and DeNardo, L.A. (2021). Linking mPFC circuit maturation to the 

1159 

developmental regulation of emotional memory and cognitive flexibility. Elife 

10

1160 

10.7554/eLife.64567. 

1161 

20. 

Pan, Y., and Monje, M. (2020). Activity Shapes Neural Circuit Form and Function: A 

1162 

Historical Perspective. J Neurosci 

40

, 944-954. 10.1523/JNEUROSCI.0740-19.2019. 

1163 

21. 

Marin, O. (2016). Developmental timing and critical windows for the treatment of 

1164 

psychiatric disorders. Nat Med 

22

, 1229-1238. 10.1038/nm.4225. 

1165 

22. 

Hooks, B.M., and Chen, C. (2006). Distinct roles for spontaneous and visual activity in 

1166 

remodeling of the retinogeniculate synapse. Neuron 

52

, 281-291. 

1167 

10.1016/j.neuron.2006.07.007. 

1168 

23. 

Shen, J., and Colonnese, M.T. (2016). Development of Activity in the Mouse Visual 

1169 

Cortex. J Neurosci 

36

, 12259-12275. 10.1523/JNEUROSCI.1903-16.2016. 

1170 

24. 

Kast, R.J., and Levitt, P. (2019). Precision in the development of neocortical 

1171 

architecture: From progenitors to cortical networks. Prog Neurobiol 

175

, 77-95. 

1172 

10.1016/j.pneurobio.2019.01.003. 

1173 

25. 

Turrigiano, G.G., and Nelson, S.B. (2004). Homeostatic plasticity in the developing 

1174 

nervous system. Nat Rev Neurosci 

5

, 97-107. 10.1038/nrn1327. 

1175 

26. 

Sohal, V.S., and Rubenstein, J.L.R. (2019). Excitation-inhibition balance as a framework 

1176 

for investigating mechanisms in neuropsychiatric disorders. Mol Psychiatry 

24

, 1248-

1177 

1257. 10.1038/s41380-019-0426-0. 

1178 

27. 

Nelson, S.B., and Valakh, V. (2015). Excitatory/Inhibitory Balance and Circuit 

1179 

Homeostasis in Autism Spectrum Disorders. Neuron 

87

, 684-698. 

1180 

10.1016/j.neuron.2015.07.033. 

1181 

28. 

Lin, Y., Bloodgood, B.L., Hauser, J.L., Lapan, A.D., Koon, A.C., Kim, T.K., Hu, L.S., 

1182 

Malik, A.N., and Greenberg, M.E. (2008). Activity-dependent regulation of inhibitory 

1183 

synapse development by Npas4. Nature 

455

, 1198-1204. 10.1038/nature07319. 

1184 

29. 

Ramamoorthi, K., Fropf, R., Belfort, G.M., Fitzmaurice, H.L., McKinney, R.M., Neve, 

1185 

R.L., Otto, T., and Lin, Y. (2011). Npas4 regulates a transcriptional program in CA3 

1186 

required for contextual memory formation. Science 

334

, 1669-1675. 

1187 

10.1126/science.1208049. 

1188 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

30. 

Spiegel, I., Mardinly, A.R., Gabel, H.W., Bazinet, J.E., Couch, C.H., Tzeng, C.P., 

1189 

Harmin, D.A., and Greenberg, M.E. (2014). Npas4 regulates excitatory-inhibitory 

1190 

balance within neural circuits through cell-type-specific gene programs. Cell 

157

, 1216-

1191 

1229. 10.1016/j.cell.2014.03.058. 

1192 

31. 

Weng, F.J., Garcia, R.I., Lutzu, S., Alvina, K., Zhang, Y., Dushko, M., Ku, T., Zemoura, 

1193 

K., Rich, D., Garcia-Dominguez, D., et al. (2018). Npas4 Is a Critical Regulator of 

1194 

Learning-Induced Plasticity at Mossy Fiber-CA3 Synapses during Contextual Memory 

1195 

Formation. Neuron 

97

, 1137-1152 e1135. 10.1016/j.neuron.2018.01.026. 

1196 

32. 

Madisen, L., Zwingman, T.A., Sunkin, S.M., Oh, S.W., Zariwala, H.A., Gu, H., Ng, L.L., 

1197 

Palmiter, R.D., Hawrylycz, M.J., Jones, A.R., et al. (2010). A robust and high-throughput 

1198 

Cre reporting and characterization system for the whole mouse brain. Nat Neurosci 

13

1199 

133-140. 10.1038/nn.2467. 

1200 

33. 

Myers, M.G., Jr., and Olson, D.P. (2012). Central nervous system control of 

1201 

metabolism. Nature 

491

, 357-363. 10.1038/nature11705. 

1202 

34. 

Joly-Amado, A., Cansell, C., Denis, R.G., Delbes, A.S., Castel, J., Martinez, S., and 

1203 

Luquet, S. (2014). The hypothalamic arcuate nucleus and the control of peripheral 

1204 

substrates. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 

28

, 725-737. 

1205 

10.1016/j.beem.2014.03.003. 

1206 

35. 

Chiang, M.C., Bowen, A., Schier, L.A., Tupone, D., Uddin, O., and Heinricher, M.M. 

1207 

(2019). Parabrachial Complex: A Hub for Pain and Aversion. J Neurosci 

39

, 8225-8230. 

1208 

10.1523/JNEUROSCI.1162-19.2019. 

1209 

36. 

Martini, F.J., Guillamon-Vivancos, T., Moreno-Juan, V., Valdeolmillos, M., and Lopez-

1210 

Bendito, G. (2021). Spontaneous activity in developing thalamic and cortical sensory 

1211 

networks. Neuron 

109

, 2519-2534. 10.1016/j.neuron.2021.06.026. 

1212 

37. 

Tiriac, A., Smith, B.E., and Feller, M.B. (2018). Light Prior to Eye Opening Promotes 

1213 

Retinal Waves and Eye-Specific Segregation. Neuron 

100

, 1059-1065 e1054. 

1214 

10.1016/j.neuron.2018.10.011. 

1215 

38. 

Nakazawa, S., and Iwasato, T. (2021). Spatial organization and transitions of 

1216 

spontaneous neuronal activities in the developing sensory cortex. Dev Growth Differ 

63

1217 

323-339. 10.1111/dgd.12739. 

1218 

39. 

Bansal, A., Singer, J.H., Hwang, B.J., Xu, W., Beaudet, A., and Feller, M.B. (2000). 

1219 

Mice lacking specific nicotinic acetylcholine receptor subunits exhibit dramatically 

1220 

altered spontaneous activity patterns and reveal a limited role for retinal waves in 

1221 

forming ON and OFF circuits in the inner retina. J Neurosci 

20

, 7672-7681. 

1222 

10.1523/JNEUROSCI.20-20-07672.2000. 

1223 

40. 

Brunjes, P.C. (1994). Unilateral naris closure and olfactory system development. Brain 

1224 

Res Brain Res Rev 

19

, 146-160. 10.1016/0165-0173(94)90007-8. 

1225 

41. 

Yu, C.R., Power, J., Barnea, G., O'Donnell, S., Brown, H.E., Osborne, J., Axel, R., and 

1226 

Gogos, J.A. (2004). Spontaneous neural activity is required for the establishment and 

1227 

maintenance of the olfactory sensory map. Neuron 

42

, 553-566. 10.1016/s0896-

1228 

6273(04)00224-7. 

1229 

42. 

Kelly, S.M., Raudales, R., He, M., Lee, J.H., Kim, Y., Gibb, L.G., Wu, P., Matho, K., 

1230 

Osten, P., Graybiel, A.M., and Huang, Z.J. (2018). Radial Glial Lineage Progression and 

1231 

Differential Intermediate Progenitor Amplification Underlie Striatal Compartments and 

1232 

Circuit Organization. Neuron 

99

, 345-361 e344. 10.1016/j.neuron.2018.06.021. 

1233 

43. 

Fishell, G., and van der Kooy, D. (1987). Pattern formation in the striatum: 

1234 

developmental changes in the distribution of striatonigral neurons. J Neurosci 

7

, 1969-

1235 

1978. 10.1523/JNEUROSCI.07-07-01969.1987. 

1236 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

44. 

Fishell, G., and van der Kooy, D. (1989). Pattern formation in the striatum: 

1237 

developmental changes in the distribution of striatonigral projections. Brain Res Dev 

1238 

Brain Res 

45

, 239-255. 10.1016/0165-3806(89)90042-4. 

1239 

45. 

Hintiryan, H., Foster, N.N., Bowman, I., Bay, M., Song, M.Y., Gou, L., Yamashita, S., 

1240 

Bienkowski, M.S., Zingg, B., Zhu, M., et al. (2016). The mouse cortico-striatal 

1241 

projectome. Nat Neurosci 

19

, 1100-1114. 10.1038/nn.4332. 

1242 

46. 

Constantinople, C.M., and Bruno, R.M. (2013). Deep cortical layers are activated 

1243 

directly by thalamus. Science 

340

, 1591-1594. 10.1126/science.1236425. 

1244 

47. 

Donato, F., Jacobsen, R.I., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2017). Stellate cells drive 

1245 

maturation of the entorhinal-hippocampal circuit. Science 

355

1246 

10.1126/science.aai8178. 

1247 

48. 

Ivkovic, S., and Ehrlich, M.E. (1999). Expression of the striatal DARPP-32/ARPP-21 

1248 

phenotype in GABAergic neurons requires neurotrophins in vivo and in vitro. J Neurosci 

1249 

19

, 5409-5419. 10.1523/JNEUROSCI.19-13-05409.1999. 

1250 

49. 

Peerboom, C., and Wierenga, C.J. (2021). The postnatal GABA shift: A developmental 

1251 

perspective. Neurosci Biobehav Rev 

124

, 179-192. 10.1016/j.neubiorev.2021.01.024. 

1252 

50. 

Sloviter, R.S. (1989). Calcium-binding protein (calbindin-D28k) and parvalbumin 

1253 

immunocytochemistry: localization in the rat hippocampus with specific reference to the 

1254 

selective vulnerability of hippocampal neurons to seizure activity. J Comp Neurol 

280

1255 

183-196. 10.1002/cne.902800203. 

1256 

51. 

Newmaster, K.T., Nolan, Z.T., Chon, U., Vanselow, D.J., Weit, A.R., Tabbaa, M., 

1257 

Hidema, S., Nishimori, K., Hammock, E.A.D., and Kim, Y. (2020). Quantitative cellular-

1258 

resolution map of the oxytocin receptor in postnatally developing mouse brains. Nat 

1259 

Commun 

11

, 1885. 10.1038/s41467-020-15659-1. 

1260 

52. 

Wang, Q., Ding, S.L., Li, Y., Royall, J., Feng, D., Lesnar, P., Graddis, N., Naeemi, M., 

1261 

Facer, B., Ho, A., et al. (2020). The Allen Mouse Brain Common Coordinate 

1262 

Framework: A 3D Reference Atlas. Cell 

181

, 936-953 e920. 10.1016/j.cell.2020.04.007. 

1263 

53. 

Qi, Y., Yu, T., Xu, J., Wan, P., Ma, Y., Zhu, J., Li, Y., Gong, H., Luo, Q., and Zhu, D. 

1264 

(2019). FDISCO: Advanced solvent-based clearing method for imaging whole organs. 

1265 

Sci Adv 

5

, eaau8355. 10.1126/sciadv.aau8355. 

1266 

54. 

Li, H., Fertuzinhos, S., Mohns, E., Hnasko, T.S., Verhage, M., Edwards, R., Sestan, N., 

1267 

and Crair, M.C. (2013). Laminar and columnar development of barrel cortex relies on 

1268 

thalamocortical neurotransmission. Neuron 

79

, 970-986. 10.1016/j.neuron.2013.06.043. 

1269 

55. 

Fuzik, J., Rehman, S., Girach, F., Miklosi, A.G., Korchynska, S., Arque, G., Romanov, 

1270 

R.A., Hanics, J., Wagner, L., Meletis, K., et al. (2019). Brain-wide genetic mapping 

1271 

identifies the indusium griseum as a prenatal target of pharmacologically unrelated 

1272 

psychostimulants. Proc Natl Acad Sci U S A 

116

, 25958-25967. 

1273 

10.1073/pnas.1904006116. 

1274 

56. 

Zoghbi, H.Y., and Bear, M.F. (2012). Synaptic dysfunction in neurodevelopmental 

1275 

disorders associated with autism and intellectual disabilities. Cold Spring Harb Perspect 

1276 

Biol 

4

. 10.1101/cshperspect.a009886. 

1277 

57. 

Nicolini, C., and Fahnestock, M. (2018). The valproic acid-induced rodent model of 

1278 

autism. Exp Neurol 

299

, 217-227. 10.1016/j.expneurol.2017.04.017. 

1279 

58. 

Hou, Q., Wang, Y., Li, Y., Chen, D., Yang, F., and Wang, S. (2018). A Developmental 

1280 

Study of Abnormal Behaviors and Altered GABAergic Signaling in the VPA-Treated Rat 

1281 

Model of Autism. Front Behav Neurosci 

12

, 182. 10.3389/fnbeh.2018.00182. 

1282 

59. 

Marco, E.J., Hinkley, L.B., Hill, S.S., and Nagarajan, S.S. (2011). Sensory processing in 

1283 

autism: a review of neurophysiologic findings. Pediatr Res 

69

, 48R-54R. 

1284 

10.1203/PDR.0b013e3182130c54. 

1285 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

60. 

Simonetti, T., Lee, H., Bourke, M., Leamey, C.A., and Sawatari, A. (2009). Enrichment 

1286 

from birth accelerates the functional and cellular development of a motor control area in 

1287 

the mouse. PLoS One 

4

, e6780. 10.1371/journal.pone.0006780. 

1288 

61. 

Cancedda, L., Putignano, E., Sale, A., Viegi, A., Berardi, N., and Maffei, L. (2004). 

1289 

Acceleration of visual system development by environmental enrichment. J Neurosci 

24

1290 

4840-4848. 10.1523/JNEUROSCI.0845-04.2004. 

1291 

62. 

Travaglia, A., Bisaz, R., Sweet, E.S., Blitzer, R.D., and Alberini, C.M. (2016). Infantile 

1292 

amnesia reflects a developmental critical period for hippocampal learning. Nat Neurosci 

1293 

19

, 1225-1233. 10.1038/nn.4348. 

1294 

63. 

Telley, L., Cadilhac, C., Cioni, J.M., Saywell, V., Jahannault-Talignani, C., Huettl, R.E., 

1295 

Sarrailh-Faivre, C., Dayer, A., Huber, A.B., and Ango, F. (2016). Dual Function of NRP1 

1296 

in Axon Guidance and Subcellular Target Recognition in Cerebellum. Neuron 

91

, 1276-

1297 

1291. 10.1016/j.neuron.2016.08.015. 

1298 

64. 

Pollerberg, G.E., and Mack, T.G. (1994). Cell adhesion molecule SC1/DMGRASP is 

1299 

expressed on growing axons of retina ganglion cells and is involved in mediating their 

1300 

extension on axons. Dev Biol 

165

, 670-687. 10.1006/dbio.1994.1284. 

1301 

65. 

Guijarro, P., Wang, Y., Ying, Y., Yao, Y., Jieyi, X., and Yuan, X. (2013). In vivo 

1302 

knockdown of cKit impairs neuronal migration and axonal extension in the cerebral 

1303 

cortex. Dev Neurobiol 

73

, 871-887. 10.1002/dneu.22107. 

1304 

66. 

Guenthner, C.J., Miyamichi, K., Yang, H.H., Heller, H.C., and Luo, L. (2013). Permanent 

1305 

genetic access to transiently active neurons via TRAP: targeted recombination in active 

1306 

populations. Neuron 

78

, 773-784. 10.1016/j.neuron.2013.03.025. 

1307 

67. 

Barth, A.L., Gerkin, R.C., and Dean, K.L. (2004). Alteration of neuronal firing properties 

1308 

after in vivo experience in a FosGFP transgenic mouse. J Neurosci 

24

, 6466-6475. 

1309 

10.1523/JNEUROSCI.4737-03.2004. 

1310 

68. 

Sun, X., Bernstein, M.J., Meng, M., Rao, S., Sorensen, A.T., Yao, L., Zhang, X., 

1311 

Anikeeva, P.O., and Lin, Y. (2020). Functionally Distinct Neuronal Ensembles within the 

1312 

Memory Engram. Cell 

181

, 410-423 e417. 10.1016/j.cell.2020.02.055. 

1313 

69. 

Sorensen, A.T., Cooper, Y.A., Baratta, M.V., Weng, F.J., Zhang, Y., Ramamoorthi, K., 

1314 

Fropf, R., LaVerriere, E., Xue, J., Young, A., et al. (2016). A robust activity marking 

1315 

system for exploring active neuronal ensembles. Elife 

5

. 10.7554/eLife.13918. 

1316 

70. 

Sim, S., Antolin, S., Lin, C.W., Lin, Y., and Lois, C. (2013). Increased cell-intrinsic 

1317 

excitability induces synaptic changes in new neurons in the adult dentate gyrus that 

1318 

require Npas4. J Neurosci 

33

, 7928-7940. 10.1523/JNEUROSCI.1571-12.2013. 

1319 

71. 

Lyford, G.L., Yamagata, K., Kaufmann, W.E., Barnes, C.A., Sanders, L.K., Copeland, 

1320 

N.G., Gilbert, D.J., Jenkins, N.A., Lanahan, A.A., and Worley, P.F. (1995). Arc, a growth 

1321 

factor and activity-regulated gene, encodes a novel cytoskeleton-associated protein that 

1322 

is enriched in neuronal dendrites. Neuron 

14

, 433-445. 10.1016/0896-6273(95)90299-6. 

1323 

72. 

Sun, M.R., Steward, A.C., Sweet, E.A., Martin, A.A., and Lipinski, R.J. (2021). 

1324 

Developmental malformations resulting from high-dose maternal tamoxifen exposure in 

1325 

the mouse. PLoS One 

16

, e0256299. 10.1371/journal.pone.0256299. 

1326 

73. 

Mehasseb, M.K., Bell, S.C., and Habiba, M.A. (2010). Neonatal administration of 

1327 

tamoxifen causes disruption of myometrial development but not adenomyosis in the 

1328 

C57/BL6J mouse. Reproduction 

139

, 1067-1075. 10.1530/REP-09-0443. 

1329 

74. 

Haar, S., Berman, S., Behrmann, M., and Dinstein, I. (2016). Anatomical Abnormalities 

1330 

in Autism? Cereb Cortex 

26

, 1440-1452. 10.1093/cercor/bhu242. 

1331 

75. 

Sussman, D., Leung, R.C., Vogan, V.M., Lee, W., Trelle, S., Lin, S., Cassel, D.B., 

1332 

Chakravarty, M.M., Lerch, J.P., Anagnostou, E., and Taylor, M.J. (2015). The autism 

1333 

puzzle: Diffuse but not pervasive neuroanatomical abnormalities in children with ASD. 

1334 

Neuroimage Clin 

8

, 170-179. 10.1016/j.nicl.2015.04.008. 

1335 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

76. 

Kahn, R.S., Sommer, I.E., Murray, R.M., Meyer-Lindenberg, A., Weinberger, D.R., 

1336 

Cannon, T.D., O'Donovan, M., Correll, C.U., Kane, J.M., van Os, J., and Insel, T.R. 

1337 

(2015). Schizophrenia. Nat Rev Dis Primers 

1

, 15067. 10.1038/nrdp.2015.67. 

1338 

77. 

Robertson, C.E., and Baron-Cohen, S. (2017). Sensory perception in autism. Nat Rev 

1339 

Neurosci 

18

, 671-684. 10.1038/nrn.2017.112. 

1340 

78. 

Paulsen, B., Velasco, S., Kedaigle, A.J., Pigoni, M., Quadrato, G., Deo, A.J., Adiconis, 

1341 

X., Uzquiano, A., Sartore, R., Yang, S.M., et al. (2022). Autism genes converge on 

1342 

asynchronous development of shared neuron classes. Nature 

602

, 268-273. 

1343 

10.1038/s41586-021-04358-6. 

1344 

79. 

Zhang, L.I., and Poo, M.M. (2001). Electrical activity and development of neural circuits. 

1345 

Nat Neurosci 

4 Suppl

, 1207-1214. 10.1038/nn753. 

1346 

80. 

Cline, H.T. (2001). Dendritic arbor development and synaptogenesis. Curr Opin 

1347 

Neurobiol 

11

, 118-126. 10.1016/s0959-4388(00)00182-3. 

1348 

81. 

Blankenship, A.G., and Feller, M.B. (2010). Mechanisms underlying spontaneous 

1349 

patterned activity in developing neural circuits. Nat Rev Neurosci 

11

, 18-29. 

1350 

10.1038/nrn2759. 

1351 

82. 

Luhmann, H.J., Sinning, A., Yang, J.W., Reyes-Puerta, V., Stuttgen, M.C., Kirischuk, S., 

1352 

and Kilb, W. (2016). Spontaneous Neuronal Activity in Developing Neocortical 

1353 

Networks: From Single Cells to Large-Scale Interactions. Front Neural Circuits 

10

, 40. 

1354 

10.3389/fncir.2016.00040. 

1355 

83. 

Unichenko, P., Yang, J.W., Luhmann, H.J., and Kirischuk, S. (2015). Glutamatergic 

1356 

system controls synchronization of spontaneous neuronal activity in the murine neonatal 

1357 

entorhinal cortex. Pflugers Arch 

467

, 1565-1575. 10.1007/s00424-014-1600-5. 

1358 

84. 

Nadim, F., and Bucher, D. (2014). Neuromodulation of neurons and synapses. Curr 

1359 

Opin Neurobiol 

29

, 48-56. 10.1016/j.conb.2014.05.003. 

1360 

85. 

Kozorovitskiy, Y., Peixoto, R., Wang, W., Saunders, A., and Sabatini, B.L. (2015). 

1361 

Neuromodulation of excitatory synaptogenesis in striatal development. Elife 

4

1362 

10.7554/eLife.10111. 

1363 

86. 

Hrvatin, S., Hochbaum, D.R., Nagy, M.A., Cicconet, M., Robertson, K., Cheadle, L., 

1364 

Zilionis, R., Ratner, A., Borges-Monroy, R., Klein, A.M., et al. (2018). Single-cell 

1365 

analysis of experience-dependent transcriptomic states in the mouse visual cortex. Nat 

1366 

Neurosci 

21

, 120-129. 10.1038/s41593-017-0029-5. 

1367 

87. 

Tyssowski, K.M., DeStefino, N.R., Cho, J.H., Dunn, C.J., Poston, R.G., Carty, C.E., 

1368 

Jones, R.D., Chang, S.M., Romeo, P., Wurzelmann, M.K., et al. (2018). Different 

1369 

Neuronal Activity Patterns Induce Different Gene Expression Programs. Neuron 

98

1370 

530-546 e511. 10.1016/j.neuron.2018.04.001. 

1371 

88. 

Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., 

1372 

Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., et al. (2012). Fiji: an open-source 

1373 

platform for biological-image analysis. Nat Methods 

9

, 676-682. 10.1038/nmeth.2019. 

1374 

89. 

Langmead, B., and Salzberg, S.L. (2012). Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. 

1375 

Nat Methods 

9

, 357-359. 10.1038/nmeth.1923. 

1376 

90. 

Kim, D., Paggi, J.M., Park, C., Bennett, C., and Salzberg, S.L. (2019). Graph-based 

1377 

genome alignment and genotyping with HISAT2 and HISAT-genotype. Nat Biotechnol 

1378 

37

, 907-915. 10.1038/s41587-019-0201-4. 

1379 

91. 

Koopmans, F., van Nierop, P., Andres-Alonso, M., Byrnes, A., Cijsouw, T., Coba, M.P., 

1380 

Cornelisse, L.N., Farrell, R.J., Goldschmidt, H.L., Howrigan, D.P., et al. (2019). SynGO: 

1381 

An Evidence-Based, Expert-Curated Knowledge Base for the Synapse. Neuron 

103

1382 

217-234 e214. 10.1016/j.neuron.2019.05.002. 

1383 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.03.572456v1.full-html.html
background image

92. 

Wolock, S.L., Lopez, R., and Klein, A.M. (2019). Scrublet: Computational Identification 

1384 

of Cell Doublets in Single-Cell Transcriptomic Data. Cell Syst 

8

, 281-291 e289. 

1385 

10.1016/j.cels.2018.11.005. 

1386 

93. 

Wolf, F.A., Angerer, P., and Theis, F.J. (2018). SCANPY: large-scale single-cell gene 

1387 

expression data analysis. Genome Biol 

19

, 15. 10.1186/s13059-017-1382-0. 

1388 

94. 

Hao, Y., Hao, S., Andersen-Nissen, E., Mauck, W.M., 3rd, Zheng, S., Butler, A., Lee, 

1389 

M.J., Wilk, A.J., Darby, C., Zager, M., et al. (2021). Integrated analysis of multimodal 

1390 

single-cell data. Cell 

184

, 3573-3587 e3529. 10.1016/j.cell.2021.04.048. 

1391 

95. 

Robinson, M.D., McCarthy, D.J., and Smyth, G.K. (2010). edgeR: a Bioconductor 

1392 

package for differential expression analysis of digital gene expression data. 

1393 

Bioinformatics 

26

, 139-140. 10.1093/bioinformatics/btp616. 

1394 

96. 

Street, K., Risso, D., Fletcher, R.B., Das, D., Ngai, J., Yosef, N., Purdom, E., and 

1395 

Dudoit, S. (2018). Slingshot: cell lineage and pseudotime inference for single-cell 

1396 

transcriptomics. BMC Genomics 

19

, 477. 10.1186/s12864-018-4772-0. 

1397 

97. 

McCarthy, D.J., Campbell, K.R., Lun, A.T., and Wills, Q.F. (2017). Scater: pre-

1398 

processing, quality control, normalization and visualization of single-cell RNA-seq data 

1399 

in R. Bioinformatics 

33

, 1179-1186. 10.1093/bioinformatics/btw777. 

1400 

98. 

Finak, G., McDavid, A., Yajima, M., Deng, J., Gersuk, V., Shalek, A.K., Slichter, C.K., 

1401 

Miller, H.W., McElrath, M.J., Prlic, M., et al. (2015). MAST: a flexible statistical 

1402 

framework for assessing transcriptional changes and characterizing heterogeneity in 

1403 

single-cell RNA sequencing data. Genome Biol 

16

, 278. 10.1186/s13059-015-0844-5. 

1404 

99. 

Conway, J.R., Lex, A., and Gehlenborg, N. (2017). UpSetR: an R package for the 

1405 

visualization of intersecting sets and their properties. Bioinformatics 

33

, 2938-2940. 

1406 

10.1093/bioinformatics/btx364. 

1407 

100.  Wu, T., Hu, E., Xu, S., Chen, M., Guo, P., Dai, Z., Feng, T., Zhou, L., Tang, W., Zhan, 

1408 

L., et al. (2021). clusterProfiler 4.0: A universal enrichment tool for interpreting omics 

1409 

data. Innovation (Camb) 

2

, 100141. 10.1016/j.xinn.2021.100141. 

1410 

101.  Yelhekar, T.D., Druzin, M., and Johansson, S. (2017). Contribution of Resting 

1411 

Conductance, GABA(A)-Receptor Mediated Miniature Synaptic Currents and 

1412 

Neurosteroid to Chloride Homeostasis in Central Neurons. eNeuro 

4

1413 

10.1523/ENEURO.0019-17.2017. 

1414 

102.  Yelhekar, T.D., Druzin, M., Karlsson, U., Blomqvist, E., and Johansson, S. (2016). How 

1415 

to Properly Measure a Current-Voltage Relation?-Interpolation vs. Ramp Methods 

1416 

Applied to Studies of GABAA Receptors. Front Cell Neurosci 

10

, 10. 

1417 

10.3389/fncel.2016.00010. 

1418 

103.  Klein, S., Staring, M., Murphy, K., Viergever, M.A., and Pluim, J.P. (2010). elastix: a 

1419 

toolbox for intensity-based medical image registration. IEEE Trans Med Imaging 

29

1420 

196-205. 10.1109/TMI.2009.2035616. 

1421 

104.  Hafemeister, C., and Satija, R. (2019). Normalization and variance stabilization of 

1422 

single-cell RNA-seq data using regularized negative binomial regression. Genome Biol 

1423 

20

, 296. 10.1186/s13059-019-1874-1. 

1424 

105.  Amezquita, R.A., Lun, A.T.L., Becht, E., Carey, V.J., Carpp, L.N., Geistlinger, L., Marini, 

1425 

F., Rue-Albrecht, K., Risso, D., Soneson, C., et al. (2020). Orchestrating single-cell 

1426 

analysis with Bioconductor. Nat Methods 

17

, 137-145. 10.1038/s41592-019-0654-x. 

1427 

106.  Yap, E.L., Pettit, N.L., Davis, C.P., Nagy, M.A., Harmin, D.A., Golden, E., Dagliyan, O., 

1428 

Lin, C., Rudolph, S., Sharma, N., et al. (2021). Bidirectional perisomatic inhibitory 

1429 

plasticity of a Fos neuronal network. Nature 

590

, 115-121. 10.1038/s41586-020-3031-0. 

1430 

 

1431 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 4, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.03.572456

doi: 

bioRxiv preprint