Abstract Calcium imaging with protein-based indicators 1,2 is widely used to follow neural activity in intact nervous systems, but current protein sensors report neural activity at timescales much slower than electrical signalling and are limited by trade-offs between sensitivity and kinetics. Here we used large-scale screening and structure-guided mutagenesis to develop and optimize several fast and sensitive GCaMP-type indicators 3–8 . The resulting ‘jGCaMP8’ sensors, based on the calcium-binding protein calmodulin and a fragment of endothelial nitric oxide synthase, have ultra-fast kinetics (half-rise times of 2 ms) and the highest sensitivity for neural activity reported for a protein-based calcium sensor. jGCaMP8 sensors will allow tracking of large populations of neurons on timescales relevant to neural computation.

Abstract Calcium imaging with protein-based indicators is widely used to follow neural activity in intact nervous systems. The popular GCaMP indicators are based on the calcium-binding protein calmodulin and the RS20 peptide. These sensors report neural activity at timescales much slower than electrical signaling, limited by their biophysical properties and trade-offs between sensitivity and speed. We used large-scale screening and structure-guided mutagenesis to develop and optimize several fast and sensitive GCaMP-type indicators. The resulting ‘jGCaMP8’ sensors, based on calmodulin and a fragment of endothelial nitric oxide synthase, have ultra-fast kinetics (rise times, 2 ms) and still feature the highest sensitivity for neural activity reported for any protein-based sensor. jGCaMP8 sensors will allow tracking of larger populations of neurons on timescales relevant to neural computation.

Abstract Electrophysiology is one of the major experimental techniques used in neuroscience. The favorable spatial and temporal resolution as well as the increasingly larger site counts of brain recording electrodes contribute to the popularity and importance of electrophysiology in neuroscience. Such electrodes are typically mechanically placed in the brain to perform acute or chronic freely moving animal measurements. The micro positioners currently used for such tasks employ a single translator per independent probe being placed into the targeted brain region, leading to significant size and weight restrictions. To overcome this limitation, we have developed a miniature robotic multi-probe neural microdrive that utilizes novel phase-change-material-filled resistive heater micro-grippers. The microscopic dimensions, gentle gripping action, independent electronic actuation control, and high packing density of the grippers allow for micrometer-precision independent positioning of multiple arbitrarily shaped parallel neural electrodes with only a single piezo actuator in an inchworm motor configuration. This multi-probe-single-actuator design allows for significant size and weight reduction, as well as remote control and potential automation of the microdrive. We demonstrate accurate placement of multiple independent recording electrodes into the CA1 region of the rat hippocampus in vivo in acute and chronic settings. Thus, our robotic neural microdrive technology is applicable towards basic neuroscience and clinical studies, as well as other multi-probe or multi-sensor micro-positioning applications. One Sentence Summary Miniature robotic multi-probe single-actuator microdrive utilizing phase change material based micro-grippers.

Abstract Focal epilepsy is associated with intermittent brief population discharges (interictal spikes), which resemble sentinel spikes that often occur at the onset of seizures. Why interictal spikes self-terminate whilst seizures persist and propagate is incompletely understood. We used fluorescent glutamate and GABA sensors in an awake rodent model of neocortical seizures to resolve the spatiotemporal evolution of both neurotransmitters in the extracellular space. Interictal spikes were accompanied by brief glutamate transients which were maximal at the initiation site and rapidly propagated centrifugally. GABA transients lasted longer than glutamate transients and were maximal ∼1.5 mm from the focus where they propagated centripetally. Prior to seizure initiation GABA transients were attenuated, whilst glutamate transients increased, consistent with a progressive failure of local inhibitory restraint. As seizures increased in frequency, there was a gradual increase in the spatial extent of spike-associated glutamate transients associated with interictal spikes. Neurotransmitter imaging thus reveals a progressive collapse of an annulus of feed-forward GABA release, allowing seizures to escape from local inhibitory restraint.

Genetically encodable calcium ion (Ca2+) indicators (GECIs) based on green fluorescent proteins (GFP) are powerful tools for imaging of cell signaling and neural activity in model organisms. Following almost two decades of steady improvements in the Aequorea victoria GFP (avGFP)-based GCaMP series of GECIs, the performance of the most recent generation (i.e., GCaMP7) may have reached its practical limit due to the inherent properties of GFP. In an effort to sustain the steady progression towards ever-improved GECIs, we undertook the development of a new GECI based on the bright monomeric GFP, mNeonGreen (mNG). The resulting indicator, mNG-GECO1, is 60% brighter than GCaMP6s in vitro and provides comparable performance as demonstrated by imaging Ca2+ dynamics in cultured cells, primary neurons, and in vivo in larval zebrafish. These results suggest that mNG-GECO1 is a promising next-generation GECI that could inherit the mantle of GCaMP and allow the steady improvement of GECIs to continue for generations to come.

Summary Significant technical challenges exist when measuring synaptic connections between neurons in living brain tissue. The patch clamping technique, when used to probe for synaptic connections, is manually laborious and time-consuming. To improve its efficiency, we pursued another approach: instead of retracting all patch clamping electrodes after each recording attempt, we cleaned just one of them and reused it to obtain another recording while maintaining the others. With one new patch clamp recording attempt, many new connections can be probed. By placing one pipette in front of the others in this way, one can “walk” across the tissue, termed “patch-walking.” We performed 136 patch clamp attempts for two pipettes, achieving 71 successful whole cell recordings (52.2%). Of these, we probed 29 pairs (i.e., 58 bidirectional probed connections) averaging 91 µ m intersomatic distance, finding 3 connections. Patch-walking yields 80-92% more probed connections, for experiments with 10-100 cells than the traditional synaptic connection searching method. Motivation Recognizing the manual labor and time-intensive nature of patch clamping when trying to find synaptic connections, we aim to improve its efficiency. We introduce a novel approach, termed “patch-walking,” where one patch clamping electrode is cleaned and reused, enabling the exploration of numerous connections with a single recording attempt and improving the efficiency of identifying synaptic connections.