Neural activity underlying short-term memory is maintained by interconnected networks of brain regions. It remains unknown how brain regions interact to maintain persistent activity while exhibiting robustness to corrupt information in parts of the network. We simultaneously measured activity in large neuronal populations across mouse frontal hemispheres to probe interactions between brain regions. Activity across hemispheres was coordinated to maintain coherent short-term memory. Across mice, we uncovered individual variability in the organization of frontal cortical networks. A modular organization was required for the robustness of persistent activity to perturbations: each hemisphere retained persistent activity during perturbations of the other hemisphere, thus preventing local perturbations from spreading. A dynamic gating mechanism allowed hemispheres to coordinate coherent information while gating out corrupt information. Our results show that robust short-term memory is mediated by redundant modular representations across brain regions. Redundant modular representations naturally emerge in neural network models that learned robust dynamics.

Abstract Recently developed silicon probes have large numbers of recording electrodes on long linear shanks. Specifically, Neuropixels probes have 960 recording electrodes distributed over 9.6 mm shanks. Because of their length, Neuropixels probe recordings in rodents naturally span multiple brain areas. Typical studies collate recordings across several recording sessions and animals. Neurons recorded in different sessions and animals have to be aligned to each other and to a standardized brain coordinate system. Here we report a workflow for accurate localization of individual electrodes in standardized coordinates and aligned across individual brains. This workflow relies on imaging brains with fluorescent probe tracks and warping 3-dimensional image stacks to standardized brain atlases. Electrophysiological features are then used to anchor particular electrodes along the reconstructed tracks to specific locations in the brain atlas and therefore to specific brain structures. We performed ground-truth experiments, in which motor cortex outputs are labelled with ChR2 and a fluorescence protein. Recording from brain regions targeted by these outputs reveals better than 100 μm accuracy for electrode localization.

Abstract Motor behaviors are often planned long before execution, but only released after specific sensory events. Planning and execution are each associated with distinct patterns of motor cortex activity. Key questions are how these dynamic activity patterns are generated and how they relate to behavior. Here we investigate the multi-regional neural circuits that link an auditory ‘go cue’ and the transition from planning to execution of directional licking. Ascending glutamatergic neurons in the midbrain reticular and pedunculopontine nuclei show short-latency and phasic changes in spike rate that are selective for the go cue. This signal is transmitted via the thalamus to the motor cortex, where it triggers a rapid reorganization of motor cortex state from planning-related activity to a motor command, which in turn drives appropriate movement. Our studies show how brainstem structures can control cortical dynamics via the thalamus for rapid and precise motor behavior.

Abstract Activity related to movement is found throughout sensory and motor regions of the brain. However, it remains unclear how movement-related activity is distributed across the brain and whether systematic differences exist between brain areas. Here, we analyzed movement related activity in brain-wide recordings containing more than 50,000 neurons in mice performing a decision-making task. Using multiple techniques, from markers to deep neural networks, we find that movement-related signals were pervasive across the brain, but systematically differed across areas. Movement-related activity was stronger in areas closer to the motor or sensory periphery. Delineating activity in terms of sensory- and motor-related components revealed finer scale structures of their encodings within brain areas. We further identified activity modulation that correlates with decision-making and uninstructed movement. Our work charts out a largescale map of movement encoding and provides a roadmap for dissecting different forms of movement and decision-making related encoding across multi-regional neural circuits.

Abstract Seed plants comprise angiosperms and gymnosperms. The latter includes gnetophytes, cycads, Ginkgo, and conifers. Conifers are distributed worldwide, with 630 species distributed across eight families and 70 genera. Their distinctiveness has triggered much debate on their origin, evolution, and phylogenetic placement among seed plants. To better understand the evolution of gymnosperms and their relation to other seed plants, we report here a high-quality genome sequence for a tree species, Chinese fir ( Cunninghamia lanceolata ), which has excellent timber quality and high aluminum adaptability and is a member of Cupressaceae with high levels of heterozygosity. We assembled an 11.24 Gb genome with a contig N50 value of 2.15 Mb and anchored the 10.89 Gb sequence to 11 chromosomes. Phylogenomic analyses showed that cycads sister to Ginkgo, which place to sister in all gymnosperm lineages, and Gnetales within conifers sister to Pinaceae. Whole-genome duplication (WGD) analysis showed that the ancestor of seed plants has differentiated into angiosperms and gymnosperms after having experienced a WGD event. The ancestor of extant gymnosperm has experienced a gymnosperm-specific WGD event and the extant angiosperms do not share a common WGD before their most recent common ancestor diverged into existing angiosperms lineages. Analysis of the MADS-box gene family of C. lanceolata revealed the developmental mechanism of the reproductive organs in C. lanceolata , which supported the (A)B(C) model of the development of gymnosperms reproductive organs. In addition, astringent seeds and shedding of whole branches (with withered leaves) might be a strategy of C. lanceolata that evolved during long-term adaptation to an aluminum-rich environment. The findings also reveal the molecular regulation mechanism of shade tolerance in C. lanceolata seedlings. Our results improve the resolution of ancestral genomic features within seed plants and the knowledge of genome evolution and diversification of gymnosperms.

Action selection occurs through competition between potential choice options. Neural correlates of choice competition are observed across frontal cortex and downstream superior colliculus (SC) during decision-making, yet how these regions interact to mediate choice competition remains unresolved. Here we report that cell types within SC can bidirectionally modulate choice competition and drive choice activity in frontal cortex. In the mouse, topographically matched regions of frontal cortex and SC formed a descending motor pathway for directional licking and a re-entrant loop via the thalamus. During decision-making, distinct neuronal populations in both frontal cortex and SC encoded opposing lick directions and exhibited push-pull dynamics. SC GABAergic neurons encoded ipsilateral choice and glutamatergic neurons encoded contralateral choice, and activating or suppressing these cell types could bidirectionally drive push-pull choice activity in frontal cortex. These results thus identify SC as a major locus to modulate choice competition within the broader action selection network.

Motor planning facilitates rapid and precise execution of volitional movements. Although motor planning has been classically studied in humans and monkeys, the mouse has become an increasingly popular model system to study neural mechanisms of motor planning. It remains yet untested whether mice and primates share common behavioral features of motor planning. We combined videography and a delayed response task paradigm in an autonomous behavioral system to measure motor planning in non-body- restrained mice. Motor planning resulted in both reaction time savings and increased movement accuracy, replicating classic effects in primates. We found that motor planning was reflected in task-relevant body features. Both the specific actions prepared and the degree of motor readiness could be read out online during motor planning. The online readout further revealed behavioral evidence of simultaneous preparation for multiple actions under uncertain conditions. These results validate the mouse as a model to study motor planning, demonstrate body feature movements as a powerful real-time readout of motor readiness, and offer behavioral evidence that motor planning can be a parallel process that permits rapid selection of multiple prepared actions.

Decisions about future actions are held in memory until enacted, making them vulnerable to distractors. The neural mechanisms controlling decision robustness to distractors remain unknown. We trained mice to report optogenetic stimulation of somatosensory cortex, with a delay separating sensation and action. Distracting stimuli influenced behavior less when delivered later during delay — demonstrating temporal gating of sensory information flow. Gating occurred even though distractor-evoked activity percolated through the cortex without attenuation. Instead, choice-related dynamics in frontal cortex became progressively robust to distractors as time passed. Reverse-engineering of neural networks trained to reproduce frontal-cortex activity revealed that chosen actions were stabilized via attractor dynamics, which gated out distracting stimuli. Our results reveal a dynamic gating mechanism that operates by controlling the degree of commitment to a chosen course of action.

Summary Behavior requires neural activity across the brain, but most experiments probe neurons in a single area at a time. Here we used multiple Neuropixels probes to record neural activity simultaneously in brain-wide circuits, in mice performing a memory-guided directional licking task. We targeted brain areas that form multi-regional loops with anterior lateral motor cortex (ALM), a key circuit node mediating the behavior. Neurons encoding sensory stimuli, choice, and actions were distributed across the brain. However, in addition to ALM, coding of choice was concentrated in subcortical areas receiving input from ALM, in an ALM-dependent manner. Choice signals were first detected in ALM and the midbrain, followed by the thalamus, and other brain areas. At the time of movement initiation, choice-selective activity collapsed across the brain, followed by new activity patterns driving specific actions. Our experiments provide the foundation for neural circuit models of decision-making and movement initiation.

Neuronal inactivation is commonly used to assess the involvement of groups of neurons in specific brain functions. Optogenetic tools allow manipulations of genetically and spatially defined neuronal populations with excellent temporal resolution. However, the targeted neurons are coupled with other neural populations over multiple length scales. As a result, the effects of localized optogenetic manipulations are not limited to the targeted neurons, but produces spatially extended excitation and inhibition with rich dynamics. Here we benchmarked several optogenetic silencers in transgenic mice and with viral gene transduction, with the goal to inactivate excitatory neurons in small regions of neocortex. We analyzed the effects of the perturbations in vivo using electrophysiology. Channelrhodopsin activation of GABAergic neurons produced more effective photoinhibition of pyramidal neurons than direct photoinhibition using light-gated ion pumps. We made transgenic mice expressing the light-dependent chloride channel GtACR under the control of Cre-recombinase. Activation of GtACR produced the most potent photoinhibition. For all methods, localized photostimuli produced photoinhibition that extended substantially beyond the spread of light in tissue, although different methods had slightly different resolution limits (radius of inactivation, 0.5 mm to 1 mm). The spatial profile of photoinhibition was likely shaped by strong coupling between cortical neurons. Over some range of photostimulation, circuits produced the “paradoxical effect”, where excitation of inhibitory neurons reduced activity in these neurons, together with pyramidal neurons, a signature of inhibition-stabilized neural networks. The offset of optogenetic inactivation was followed by rebound excitation in a light dose-dependent manner, which can be mitigated by slowly varying photostimuli, but at the expense of time resolution. Our data offer guidance for the design of in vivo optogenetics experiments and suggest how these experiments can reveal operating principles of neural circuits.