The ability to directly measure acetylcholine (ACh) release is an essential step toward understanding its physiological function. Here we optimized the GRABACh (GPCR-activation-based ACh) sensor to achieve substantially improved sensitivity in ACh detection, as well as reduced downstream coupling to intracellular pathways. The improved version of the ACh sensor retains the subsecond response kinetics, physiologically relevant affinity and precise molecular specificity for ACh of its predecessor. Using this sensor, we revealed compartmental ACh signals in the olfactory center of transgenic flies in response to external stimuli including odor and body shock. Using fiber photometry recording and two-photon imaging, our ACh sensor also enabled sensitive detection of single-trial ACh dynamics in multiple brain regions in mice performing a variety of behaviors. A genetically encoded acetylcholine sensor with improved sensitivity allows detection of cholinergic neurotransmission in vivo in the Drosophila and mouse brain.

A wire-shaped flexible dye-sensitized solar cell (WSF-DSSC) without any transparent conducting oxide materials is fabricated. The cell has a helical twisting structure formed by two fiber-like electrodes (100 μm in diameter). Due to the twisting structure, many opaque conducting materials such as metal wire can be applied. It is found that the incident-light-angle dependence of the cell's IV output is extremely low.

SUMMARY Neuropeptides are key signaling molecules in the endocrine and nervous systems that regulate many critical physiological processes, including energy balance, sleep and circadian rhythms, stress, and social behaviors. Understanding the functions of neuropeptides in vivo requires the ability to monitor their dynamics with high specificity, sensitivity, and spatiotemporal resolution; however, this has been hindered by the lack of direct, sensitive and non-invasive tools. Here, we developed a series of GRAB ( G protein-coupled r eceptor a ctivation‒ b ased) sensors for detecting somatostatin (SST), cholecystokinin (CCK), corticotropin-releasing factor (CRF), neuropeptide Y (NPY), neurotensin (NTS), and vasoactive intestinal peptide (VIP). These fluorescent sensors utilize the corresponding GPCRs as the neuropeptide-sensing module with the insertion of a circular-permutated GFP as the optical reporter. This design detects the binding of specific neuropeptides at nanomolar concentration with a robust increase in fluorescence. We used these GRAB neuropeptide sensors to measure the spatiotemporal dynamics of endogenous SST release in isolated pancreatic islets and to detect the release of both CCK and CRF in acute brain slices. Moreover, we detect endogenous CRF release induced by stressful experiences in vivo using fiber photometry and 2-photon imaging in mice. Together, these new sensors establish a robust toolkit for studying the release, function, and regulation of neuropeptides under both physiological and pathophysiological conditions.

The ability to directly measure acetylcholine (ACh) release is an essential first step towards understanding its physiological function. Here we optimized the GRAB ACh ( G PC R - A ctivation– B ased- ACh ) sensor with significantly improved sensitivity and minimal downstream coupling. Using this sensor, we measured in-vivo cholinergic activity in both Drosophila and mice, revealing compartmental ACh signals in fly olfactory center and single-trial ACh dynamics in multiple regions of the mice brain under a variety of different behaviors

Sexually reproducing organisms acquire genetic diversity through meiotic recombination during meiosis I, which is initiated via programmed DNA double-strand breaks (DSBs) induced by Spo11-containing machinery in each meiotic cell. The combination of programmed DSB sites in each meiotic cell must be diverse, which requires a certain degree of randomness in the distribution of DSBs. The formation of programmed DSBs requires a preestablished loop-axis structure of chromatin. Here, we demonstrate that the axial element protein Mer2 undergoes liquid-liquid phase separation in vitro and in vivo through its intrinsically disordered C-terminal domain. A DNA binding motif within its central domain is responsible for bringing DNA into Mer2 liquid droplets and Mer2-DNA complex could assemble into filamentous structures extending from the droplets. These results suggest that phase separation of Mer2 drives the formation of a droplet-loop structure of meiotic chromatin to facilitate and to diversify programmed DSB formation.

Summary The medial entorhinal cortex (MEC) creates a map of local space, based on the firing patterns of grid, head direction (HD), border, and object-vector (OV) cells. How these cell types are organized anatomically is debated. In-depth analysis of this question requires collection of precise anatomical and activity data across large populations of neurons during unrestrained behavior, which neither electrophysiological nor previous imaging methods fully afford. Here we examined the topographic arrangement of spatially modulated neurons in MEC and adjacent parasubiculum using miniaturized, portable two-photon microscopes, which allow mice to roam freely in open fields. Grid cells exhibited low levels of co-occurrence with OV cells and clustered anatomically, while border, HD and OV cells tended to intermingle. These data suggest that grid-cell networks might be largely distinct from those of border, HD and OV cells and that grid cells exhibit strong coupling among themselves but weaker links to other cell types. Highlights - Grid and object vector cells show low levels of regional co-occurrence - Grid cells exhibit the strongest tendency to cluster among all spatial cell types - Grid cells stay separate from border, head direction and object vector cells - The territories of grid, head direction and border cells remain stable over weeks

ABSTRACT Super-resolution (SR) imaging with high-throughput is invaluable to fast and high-precision profiling in a wide range of biomedical applications. However, prevalent SR methods require sophisticated acquisition devices and specific imaging control, and may cost a fairly long time on a single field-of-view. These essentially increase the construction difficulty, including challenges in imaging throughput, system establishment, and automation. Using the natural photophysics of fluorescence, fluctuation-based microscopy techniques can routinely break the diffraction limit with no need for additional optical components, but its long acquisition time still poses a challenge for high-throughput imaging or visualizing transient organelle dynamics. Here, we propose an S R method based on the A uto- C orrelation with two-step D econvolution (SACD) that reduces the number of frames required by maximizing the detectable fluorescence fluctuation behavior in each measurement, with further removal of tunable parameters by a Fourier ring correlation analysis. It only needs 20 frames for twofold lateral and axial resolution improvements, while the SR optical fluctuation imaging (SOFI) needs more than 1000 frames. By capturing raw images for ∼10 minutes, we record an SR image with ∼128 nm resolution that contains 2.4 gigapixels covering an area of ∼2.0 mm × 1.4 mm, including more than 2,000 cells. Beyond that, by applying continuity and sparsity joint constraint, the Sparse deconvolution-assisted SACD enables 4D live-cell SR imaging of events such as mitochondrial fission and fusion. Overall, as an open-sourced module, we anticipate SACD can offer direct access to SR, which may facilitate the biology studies of cells and organisms with high-throughput and low-cost.

ABSTRACT In fluorescence microscopy, computational algorithms have been developed to suppress noise, enhance contrast, and even enable super-resolution (SR). However, the local quality of the images may vary on multiple scales, and these differences can lead to misconceptions, which is especially intractable in emerging deep-learning ones. Current mapping methods fail to finely estimate the local quality, challenging to associate the SR scale content. Here, we develop a rolling Fourier ring correlation (rFRC) framework to evaluate the reconstruction uncertainties down to SR scale. To visually pinpoint regions with low reliability, a filtered rFRC is combined with a modified resolution scaled error map (RSM), offering a comprehensive and concise map for further examination. We demonstrate their performances on various SR imaging modalities, and the resulting quantitative maps enable better SR images integrated from different reconstructions. Beyond that, we provide a strategy for learning-based restorations, allowing a direct detection of both data and model uncertainties, and expect the representative cases can inspire further advances in this rapidly developing field.

SUMMARY The Ca 2+ modulated pulsatile secretion of glucagon and insulin by pancreatic α and β cells plays a key role in glucose homeostasis. However, how α and β cells coordinate via paracrine interaction to produce various Ca 2+ oscillation patterns is still elusive. Using a microfluidic device and transgenic mice in which α and β cells were labeled with different colors, we were able to record islet Ca 2+ signals at single cell level for long times. Upon glucose stimulation, we observed heterogeneous Ca 2+ oscillation patterns intrinsic to each islet. After a transient period, the oscillations of α and β cells were globally phase-locked, i.e., the two types of cells in an islet each oscillate synchronously but with a phase shift between the two. While the activation of α cells displayed a fixed time delay of ~20 s to that of β cells, β cells activated with a tunable delay after the α cells. As a result, the tunable phase shift between α and β cells set the islet oscillation period and pattern. Furthermore, we demonstrated that the phase shift can be modulated by glucagon. A mathematical model of islet Ca 2+ oscillation taking into consideration of the paracrine interaction was constructed, which quantitatively agreed with the experimental data. Our study highlights the importance of cell-cell interaction to generate stable but tunable islet oscillation patterns.