Abstract Fluorescence miniature microscopy in vivo has recently proven a major advance, enabling cellular imaging in freely behaving animals. However, fluorescence imaging suffers from autofluorescence, phototoxicity, photobleaching and non-homogeneous illumination artifacts. These factors limit the quality and time course of data collection. Bioluminescence provides an alternative kind of activity-dependent light indicator. Bioluminescent calcium indicators do not require light input, instead generating photons through chemiluminescence. As such, limitations inherent to the requirement for light presentation are eliminated. Further, bioluminescent indicators also do not require excitation light optics: the removal of this component should make lighter and lower cost microscope with fewer assembly parts. While there has been significant recent progress in making brighter and faster bioluminescence indicators, parallel advances in imaging hardware have not yet been realized. A hardware challenge is that despite potentially higher signal-to-noise of bioluminescence, the signal strength is lower than that of fluorescence. An open question we address in this report is whether fluorescent miniature microscopes can be rendered sensitive enough to detect bioluminescence. We demonstrate this possibility in vitro and in vivo by implementing optimizations of the UCLA fluorescent miniscope. These optimizations yielded a miniscope (BLmini) which is 22% lighter in weight, has 45% fewer components, is up to 58% less expensive, offers up to 15 times stronger signal (as dichroic filtering is not required) and is sensitive enough to capture spatiotemporal dynamics of bioluminescence in the brain with a signal-to-noise ratio of 34 dB.

Significant evidence supports the view that dopamine shapes reward-learning by encoding prediction errors. However, it is unknown whether dopamine decision-signals are tailored to the functional specialization of target regions. Here, we report a novel set of wave-like spatiotemporal activity-patterns in dopamine axons across the dorsal striatum. These waves switch between different activational motifs and organize dopamine transients into localized clusters within functionally related striatal subregions. These specific motifs are associated with distinct task contexts: At reward delivery, dopamine signals rapidly resynchronize into propagating waves with opponent directions depending on instrumental task contingencies. Moreover, dopamine dynamics during reward pursuit signal the extent to which mice have instrumental control and interact with reward waves to predict future behavioral adjustments. Our results are consistent with a computational architecture in which striatal dopamine signals are sculpted by inference about instrumental controllability and provide evidence for a spatiotemporally “vectorized” role of dopamine in credit assignment.

Abstract The ability to manipulate neuronal activity both opto-and chemogenetically with a single actuator molecule presents unique and flexible means to study neural circuit function. We previously developed methodology to enable such bimodal control using fusion molecules called luminopsins (LMOs), where a channelrhodopsin actuator can be activated using either physical (LED driven) or biological (bioluminescent) light. While activation of LMOs using bioluminescence has previously allowed manipulation of circuits and behavior in mice, further improvement would advance the utility of this technique. Thus, we here aimed to increase the efficiency of bioluminescent activation of channelrhodopsins by development of novel FRET-probes with bright and spectrally matched emission tailored to Volvox channelrhodopsin 1 (VChR1). We find that pairing of a molecularly evolved Oplophorus luciferase variant with mNeonGreen significantly improves the efficacy of bioluminescent activation when tethered to VChR1 (construct named LMO7) as compared to previous and other newly generated LMO variants. We proceed to extensively benchmark LMO7 against previous LMO standard (LMO3) and find that LMO7 outperforms LMO3 in the ability to drive bioluminescent activation of VChR1 both in vitro and in vivo, and efficiently modulates animal behavior following intraperitonial injection of fluorofurimazine. In conclusion, we demonstrate a rationale for improving bioluminescent activation of optogenetic actuators using a tailored molecular engineering approach and provide a new tool to bimodally manipulate neuronal activity with increased bioluminescence-driven efficacy.

We developed a platform that utilizes a calcium-dependent luciferase to convert neuronal activity into activation of light sensing domains within the same cell. The platform is based on a Gaussia luciferase variant with high light emission split by calmodulin-M13 sequences that depends on influx of calcium ions (Ca2+) for functional reconstitution. In the presence of its luciferin, coelenterazine (CTZ), Ca2+ influx results in light emission that drives activation of photoreceptors, including optogenetic channels and LOV domains. Critical features of the converter luciferase are light emission low enough to not activate photoreceptors under baseline condition and high enough to activate photosensing elements in the presence of Ca2+ and luciferin. We demonstrate performance of this activity-dependent sensor and integrator for changing membrane potential and driving transcription in individual and populations of neurons in vitro and in vivo.

Predictive models can enhance the salience of unanticipated input, and the neocortical laminar architecture is believed to be central to this computation. Here, we examined the role of a key potential node in model formation, layer (L) 6, using behavioral, electrophysiological and imaging methods in mouse somatosensory cortex. To test the contribution of L6, we applied weak optogenetic drive that changed which L6 neurons were sensory-responsive, without affecting overall firing rates in L6 or L2/3. This stimulation suppressed L2/3 deviance encoding, but maintained other stimulus encoding. The stimulation also selectively suppressed behavioral sensitivity to deviant stimuli without impacting baseline performance. In contrast, stronger L6 drive inhibited firing and suppressed overall sensory function. These findings indicate that, despite their sparse activity, specific ensembles of stimulus-driven L6 neurons are required to form neocortical predictions, and for their behavioral benefit.

Transient neocortical events with high spectral power in the 15-29Hz beta band are among the most reliable predictors of sensory perception: High prestimulus beta event rates in primary somatosensory lead to sensory suppression, most effective at 100-300ms prestimulus latency. However, the synaptic and neuronal mechanisms inducing beta's perceptual effects have not been completely localized. We combined human MEG with neural modeling designed to account for these macroscale signals to interpret the cellular and circuit mechanisms that underlie the influence of beta on tactile detection. Extending prior studies, we modeled the hypothesis that higher-order thalamic bursts, sufficient for beta event generation in cortex, recruit supragranular GABAB inhibition acting on a 300ms time scale to suppress sensory information. Consistency between model and MEG data supported this hypothesis and led to a further prediction, validated in our data, that stimuli are perceived when beta events occur simultaneously with tactile stimulation. The post-event suppressive mechanism explains an array of studies that associate beta with decreased processing, while the during-event mechanism may demand a reinterpretation of the role of beta events in the context of coincident timing.

Beta frequency oscillations (15-29Hz) are among the most prominent signatures of brain activity. Beta power is predictive of many healthy and abnormal behaviors, including perception, attention and motor action. Recent evidence shows that in non-averaged signals, beta can emerge as transient high-power "events". As such, functionally relevant differences in averaged power across time and trials can reflect accumulated changes in the number, power, duration, and/or frequency span of the events. We show for the first time that functionally relevant differences in averaged prestimulus beta power in human sensory neocortex reflects a difference in the number of high-power beta events per trial, i.e., the rate of events. Further, high power beta events close to the time of the stimulus were more likely to impair perception. This result is consistent across detection and attention tasks in human magnetoencephalography (MEG) and is conserved in local field potential (LFP) recordings of mice performing a detection task. Our findings suggest transient brain rhythms are best viewed as a "rate metric" in their impact on function, and provides a new framework for understanding and manipulating functionally relevant rhythmic events.

Abstract Transient neocortical events with high spectral power in the 15–29Hz beta band are among the most reliable predictors of sensory perception. Prestimulus beta event rates in primary somatosensory cortex correlate with sensory suppression, most effectively 100–300ms before stimulus onset. However, the neural mechanisms underlying this perceptual association are unknown. We combined human magnetoencephalography (MEG) measurements with biophysical neural modeling to test potential cellular and circuit mechanisms that underlie observed correlations between prestimulus beta events and tactile detection. Extending prior studies, we found that simulated bursts from higher-order, non-lemniscal thalamus were sufficient to drive beta event generation and to recruit slow supragranular inhibition acting on a 300ms time scale to suppress sensory information. Further analysis showed that the same beta generating mechanism can lead to facilitated perception for a brief period when beta events occur simultaneously with tactile stimulation before inhibition is recruited. These findings were supported by close agreement between model-derived predictions and empirical MEG data. The post-event suppressive mechanism explains an array of studies that associate beta with decreased processing, while the during-event faciliatory mechanism may demand a reinterpretation of the role of beta events in the context of coincident timing.

Significance Luminopsins (LMOs) are bioluminescent-optogenetic tools with a luciferase fused to an opsin that allow bimodal control of neurons by providing both optogenetic and chemogenetic access. Determining which design features contribute to the efficacy of LMOs will be beneficial for further improving LMOs for use in research. Aim We investigated the relative impact of luciferase brightness, opsin sensitivity, pairing of emission and absorption wavelength, and arrangement of moieties on the function of LMOs. Approach We quantified efficacy of LMOs through whole cell patch clamp recordings in HEK293 cells by determining coupling efficiency, the percentage of maximum LED induced photocurrent achieved with bioluminescent activation of an opsin. We confirmed key results by multielectrode array (MEAs) recordings in primary neurons. Results Luciferase brightness and opsin sensitivity had the most impact on the efficacy of LMOs, and N-terminal fusions of luciferases to opsins performed better than C-terminal and multi-terminal fusions. Precise paring of luciferase emission and opsin absorption spectra appeared to be less critical. Conclusions Whole cell patch clamp recordings allowed us to quantify the impact of different characteristics of LMOs on their function. Our results suggest that coupling brighter bioluminescent sources to more sensitive opsins will improve LMO function. As bioluminescent activation of opsins is most likely based on Foerster resonance energy transfer (FRET), the most effective strategy for improving LMOs further will be molecular evolution of luciferase-fluorescent protein-opsin fusions.

Pain is comprised of a complex interaction between motor action and somatosensation that is dependent on dynamic interactions between the brain and spinal cord. This makes understanding pain particularly challenging as it involves rich interactions between many circuits (e.g., neural and vascular) and signaling cascades throughout the body. As such, experimentation on a single region may lead to an incomplete and potentially incorrect understanding of crucial underlying mechanisms.Here, we aimed to develop and validate new tools to enable detailed and extended observation of neural and vascular activity in the brain and spinal cord. The first key set of innovations were targeted to developing novel imaging hardware that addresses the many challenges of multi-site imaging. The second key set of innovations were targeted to enabling bioluminescent imaging, as this approach can address limitations of fluorescent microscopy including photobleaching, phototoxicity and decreased resolution due to scattering of excitation signals.We designed 3D-printed brain and spinal cord implants to enable effective surgical implantations and optical access with wearable miniscopes or an open window (e.g., for one- or two-photon microscopy or optogenetic stimulation). We also tested the viability for bioluminescent imaging, and developed a novel modified miniscope optimized for these signals (BLmini).Here, we describe novel 'universal' implants for acute and chronic simultaneous brain-spinal cord imaging and optical stimulation. We further describe successful imaging of bioluminescent signals in both foci, and a new miniscope, the 'BLmini,' which has reduced weight, cost and form-factor relative to standard wearable miniscopes.The combination of 3D printed implants, advanced imaging tools, and bioluminescence imaging techniques offers a new coalition of methods for understanding spinal cord-brain interactions. This work has the potential for use in future research into neuropathic pain and other sensory disorders and motor behavior.