Efficient retrograde access to projection neurons for the delivery of sensors and effectors constitutes an important and enabling capability for neural circuit dissection. Such an approach would also be useful for gene therapy, including the treatment of neurodegenerative disorders characterized by pathological spread through functionally connected and highly distributed networks. Viral vectors, in particular, are powerful gene delivery vehicles for the nervous system, but all available tools suffer from inefficient retrograde transport or limited clinical potential. To address this need, we applied in vivo directed evolution to engineer potent retrograde functionality into the capsid of adeno-associated virus (AAV), a vector that has shown promise in neuroscience research and the clinic. A newly evolved variant, rAAV2-retro, permits robust retrograde access to projection neurons with efficiency comparable to classical synthetic retrograde tracers and enables sufficient sensor/effector expression for functional circuit interrogation and in vivo genome editing in targeted neuronal populations.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI4YzNlNWNlMWIwMjEwNTMwMmU0NzU5Zjg1OGZhN2VjNSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4OTIwNjUyfQ.PIawDOHpxANfHC02wRHgNR9xW5IWD2usKnoU6sy5jofdhbn59c1Wt7D4f3-Dl7r4FffS7kG5CmD0MAA4xhiDH4k_fpPFeDtnWqoPTdrhD2bVpfi4wTBnyie7NKaNMMjL-SOaDobd6kCRE9cYrdRXyy_uof_jf4gGsRH8RnPKrs1nbeaek5sg0XWmK1oC7db8iMRvW0ALbwNBLLAWZfnXfZsMX4AMI-aUIH1p7wjiFPGzO7nw_H7qJk6h1L6FJzADy3tveAdJWwrXNx7iceEi_V7JOsl98UpSp2H-4Z_-4Tw8PmXRAyPLcaDltdpiLVSvuFc_csSEUX62WnL3cf9iEA(mp4, (84.44 MB) Download video

Measuring the dynamics of neural processing across time scales requires following the spiking of thousands of individual neurons over milliseconds and months. To address this need, we introduce the Neuropixels 2.0 probe together with newly designed analysis algorithms. The probe has more than 5000 sites and is miniaturized to facilitate chronic implants in small mammals and recording during unrestrained behavior. High-quality recordings over long time scales were reliably obtained in mice and rats in six laboratories. Improved site density and arrangement combined with newly created data processing methods enable automatic post hoc correction for brain movements, allowing recording from the same neurons for more than 2 months. These probes and algorithms enable stable recordings from thousands of sites during free behavior, even in small animals such as mice.

Neuronal cell types are the nodes of neural circuits that determine the flow of information within the brain. Neuronal morphology, especially the shape of the axonal arbor, provides an essential descriptor of cell type and reveals how individual neurons route their output across the brain. Despite the importance of morphology, few projection neurons in the mouse brain have been reconstructed in their entirety. Here we present a robust and efficient platform for imaging and reconstructing complete neuronal morphologies, including axonal arbors that span substantial portions of the brain. We used this platform to reconstruct more than 1,000 projection neurons in the motor cortex, thalamus, subiculum, and hypothalamus. Together, the reconstructed neurons constitute more than 85 meters of axonal length and are available in a searchable online database. Axonal shapes revealed previously unknown subtypes of projection neurons and suggest organizational principles of long-range connectivity.

Single-wavelength fluorescent reporters allow visualization of specific neurotransmitters with high spatial and temporal resolution. We report variants of intensity-based glutamate-sensing fluorescent reporter (iGluSnFR) that are functionally brighter; detect submicromolar to millimolar amounts of glutamate; and have blue, cyan, green, or yellow emission profiles. These variants could be imaged in vivo in cases where original iGluSnFR was too dim, resolved glutamate transients in dendritic spines and axonal boutons, and allowed imaging at kilohertz rates. Variants of the genetically encoded sensor iGluSnFR extend the range of conditions under which glutamate neurotransmission can be visualized. In addition, chromatic variants of iGluSnFR improve compatibility with various illumination schemes.

Optical and electron microscopy have made tremendous inroads toward understanding the complexity of the brain. However, optical microscopy offers insufficient resolution to reveal subcellular details, and electron microscopy lacks the throughput and molecular contrast to visualize specific molecular constituents over millimeter-scale or larger dimensions. We combined expansion microscopy and lattice light-sheet microscopy to image the nanoscale spatial relationships between proteins across the thickness of the mouse cortex or the entire Drosophila brain. These included synaptic proteins at dendritic spines, myelination along axons, and presynaptic densities at dopaminergic neurons in every fly brain region. The technology should enable statistically rich, large-scale studies of neural development, sexual dimorphism, degree of stereotypy, and structural correlations to behavior or neural activity, all with molecular contrast.

Mammalian cerebral cortex is accepted as being critical for voluntary motor control, but what functions depend on cortex is still unclear. Here we used rapid, reversible optogenetic inhibition to test the role of cortex during a head-fixed task in which mice reach, grab, and eat a food pellet. Sudden cortical inhibition blocked initiation or froze execution of this skilled prehension behavior, but left untrained forelimb movements unaffected. Unexpectedly, kinematically normal prehension occurred immediately after cortical inhibition, even during rest periods lacking cue and pellet. This ‘rebound’ prehension was only evoked in trained and food-deprived animals, suggesting that a motivation-gated motor engram sufficient to evoke prehension is activated at inhibition’s end. These results demonstrate the necessity and sufficiency of cortical activity for enacting a learned skill.

Cerebellar granule cells constitute the majority of neurons in the brain and are the primary conveyors of sensory and motor-related mossy fiber information to Purkinje cells. The functional capability of the cerebellum hinges on whether individual granule cells receive mossy fiber inputs from multiple precerebellar nuclei or are instead unimodal; this distinction is unresolved. Using cell-type-specific projection mapping with synaptic resolution, we observed the convergence of separate sensory (upper body proprioceptive) and basilar pontine pathways onto individual granule cells and mapped this convergence across cerebellar cortex. These findings inform the long-standing debate about the multimodality of mammalian granule cells and substantiate their associative capacity predicted in the Marr-Albus theory of cerebellar function. We also provide evidence that the convergent basilar pontine pathways carry corollary discharges from upper body motor cortical areas. Such merging of related corollary and sensory streams is a critical component of circuit models of predictive motor control. DOI:http://dx.doi.org/10.7554/eLife.00400.001.

Abstract To study the dynamics of neural processing across timescales, we require the ability to follow the spiking of thousands of individually separable neurons over weeks and months, during unrestrained behavior. To address this need, we introduce the Neuropixels 2.0 probe together with novel analysis algorithms. The new probe has over 5,000 sites and is miniaturized such that two probes plus a headstage, recording 768 sites at once, weigh just over 1 g, suitable for implanting chronically in small mammals. Recordings with high quality signals persisting for at least two months were reliably obtained in two species and six different labs. Improved site density and arrangement combined with new data processing methods enable automatic post-hoc stabilization of data despite brain movements during behavior and across days, allowing recording from the same neurons in the mouse visual cortex for over 2 months. Additionally, an optional configuration allows for recording from multiple sites per available channel, with a penalty to signal-to-noise ratio. These probes and algorithms enable stable recordings from >10,000 sites during free behavior in small animals such as mice.

Summary Skillful control of movement requires coordination between brain areas that are reciprocally connected through polysynaptic pathways, forming closed loops. A prominent loop in mammals runs between cerebral cortex and cerebellum, which individually contribute to skilled arm control. But how and why do these regions interact? Here, we studied the mouse cortico-cerebellar loop by optogenetically perturbing the pontine nuclei (PN), which receive direct cortical inputs and project only to cerebellum. PN stimulation during rest propagated into cerebellar cortex, but the effect of stimulation was transformed downstream into a wide range of patterns in the deep cerebellar nuclei (DCN) and reduced to transient excitation in motor cortex. PN stimulation in a cued reaching task altered arm kinematics and impaired performance. Cerebellar and cortical dynamics during movement were not dominated by PN stimulation, but altered in line with behavioral changes. These results suggest that the cortico-cerebellar loop fine-tunes motor commands during skilled reaching.