Location-sensitive and motion-sensitive units are the two major functional types of feedforward projections from lateral genicular nucleus (LGN) to primary visual cortex (V1) in mouse. The distribution of these inputs in cortical depth remains under debate. By measuring the calcium activities of LGN axons in V1 of awake mice, we systematically mapped their functional and structural properties. Although both types distributed evenly across cortical depth, we found that they differ significantly across multiple modalities. Compared to the location-sensitive axons, which possessed confined spatial receptive fields, the motion-sensitive axons lacked spatial receptive fields, preferred lower temporal, higher spatial frequencies and had wider horizontal bouton spread. Furthermore, the motion-sensitive axons showed a strong depth-dependent motion direction bias while the location-sensitive axons showed a depth-independent OFF dominance. Overall, our results suggest a new model of receptive biases and laminar structure of thalamic inputs to V1.

The gradual loss of cerebral white matter contributes to cognitive decline during aging. However, microvascular networks that support the metabolic demands of white matter remain poorly defined. We used

Recent advances in tissue processing, labeling, and fluorescence microscopy are providing unprecedented views of the structure of cells and tissues at sub-diffraction resolutions and near single molecule sensitivity, driving discoveries in diverse fields of biology, including neuroscience. Biological tissue is organized over scales of nanometers to centimeters. Harnessing molecular imaging across three-dimensional samples on this scale requires new types of microscopes with larger fields of view and working distance, as well as higher imaging throughput. We present a new expansion-assisted selective plane illumination microscope (ExA-SPIM) with diffraction-limited and aberration-free performance over a large field of view (85 mm 2 ) and working distance (35 mm). Combined with new tissue clearing and expansion methods, the microscope allows nanoscale imaging of centimeter-scale samples, including entire mouse brains, with diffraction-limited resolutions and high contrast without sectioning. We illustrate ExA-SPIM by reconstructing individual neurons across the mouse brain, imaging cortico-spinal neurons in the macaque motor cortex, and tracing axons in human white matter.

2-photon fluorescence microscopy has been used extensively to probe the structure and functions of cells in living biological tissue. 2-photon excitation generates fluorescence from the focal plane, but also from outside the focal plane, with out-of-focus fluorescence increasing as the focus is pushed deeper into tissue. It has been suggested that the 2-photon depth limit, beyond which results become inaccurate, is where in- and out-of-focus fluorescence are equal. We found the depth limit of 2-photon excitation in mice with GCaMP6 indicator expression in all layers of visual cortex, by comparing near-simultaneous 2- and 3-photon excitation. 2-photon results were accurate only superficial to 450 um, matching the depth at which in- and out-of-focus fluorescence were equal. The expected depth limit is deeper in tissue with fewer fluorophores outside the plane of interest. Our results, from tissue with a largely homogenous distribution of fluorophores, establish a superficial bound on the 2-photon depth limit in the mouse visual cortex.

3-photon excitation enables in vivo fluorescence microscopy deep in densely labeled and highly scattering samples. To date, 3-photon excitation has been restricted to scanning a single focus, limiting the speed of volume acquisition. Here, for the first time to our knowledge, we implemented and characterized dual-plane 3-photon microscopy with temporal multiplexing and remote focusing, and performed simultaneous in vivo calcium imaging of two planes deep in the cortex of a pan-excitatory GCaMP6s transgenic mouse. This method is a straightforward and generalizable modification to single-focus 3PE systems, doubling the rate of volume (column) imaging with off-the-shelf components and minimal technical constraints.

Expansion microscopy and light sheet imaging enable fine-scale resolution of intracellular features that comprise neural circuits. Most current techniques visualize sparsely distributed features across whole brains or densely distributed features within individual brain regions. Here, we visualize dense distributions of immunolabeled proteins across early visual cortical areas in adult macaque monkeys. This process may be combined with multiphoton or magnetic resonance imaging to produce multimodal atlases in large, gyrencephalic brains.

Abstract The motion/direction-sensitive and location-sensitive neurons are two major functional types in mouse visual thalamus that project to the primary visual cortex (V1). It has been proposed that the motion/direction-sensitive neurons mainly target the superficial layers in V1, in contrast to the location-sensitive neurons which mainly target the middle layers. Here, by imaging calcium activities of motion/direction-sensitive and location-sensitive axons in V1, we find no evidence for these cell-type specific laminar biases at population level. Furthermore, using a novel approach to reconstruct single-axon structures with identified in vivo response types, we show that, at single-axon level, the motion/direction-sensitive axons have middle layer preferences and project more densely to the middle layers than the location-sensitive axons. Overall, our results demonstrate that Motion/direction-sensitive thalamic neurons project extensively to the middle layers of V1, challenging the current view of the thalamocortical organizations in the mouse visual system.