Since the Hipparcos mission and recent large scale surveys in the optical and the near-infrared, new constraints have been obtained on the structure and evolution history of the Milky Way. The population synthesis approach is a useful tool to interpret such data sets and to test scenarios of evolution of the Galaxy. We present here new constraints on evolution parameters obtained from the Besançon model of population synthesis and analysis of optical and near-infrared star counts. The Galactic potential is computed self-consistently, in agreement with Hipparcos results and the observed rotation curve. Constraints are posed on the outer bulge structure, the warped and flared disc, the thick disc and the spheroid populations. The model is tuned to produce reliable predictions in the visible and the near-infrared in wide photometric bands from U to K. Finally, we describe applications such as photometric and astrometric simulations and a new classification tool based on a Bayesian probability estimator, which could be used in the framework of Virtual Observatories. As examples, samples of simulated star counts at different wavelengths and directions are also given.

Let There Be Light Retinitis pigmentosa, a disease that can result from a wide variety of genetic defects, causes degeneration of photoreceptor cells in the retina and leads to blindness. In the course of the disease, it is generally the rod photoreceptor cells that degenerate first. Cone photoreceptor cells may persist, but in a damaged and nonfunctional state. Busskamp et al. (p. 413 , published online 24 June; see the cover; see the Perspective by Cepko ) have now applied a gene therapy approach to mouse models of retinitis pigmentosa. Inducing expression of a bacterial light-activated ion pump, halorho dopsin, in the damaged cone cells improved visual responses in the diseased mouse retinas. Thus, it may be possible to rescue cone photoreceptors therapeutically, even after they have already been damaged.

Optogenetics may enable mutation-independent, circuit-specific restoration of neuronal function in neurological diseases. Retinitis pigmentosa is a neurodegenerative eye disease where loss of photoreceptors can lead to complete blindness. In a blind patient, we combined intraocular injection of an adeno-associated viral vector encoding ChrimsonR with light stimulation via engineered goggles. The goggles detect local changes in light intensity and project corresponding light pulses onto the retina in real time to activate optogenetically transduced retinal ganglion cells. The patient perceived, located, counted and touched different objects using the vector-treated eye alone while wearing the goggles. During visual perception, multichannel electroencephalographic recordings revealed object-related activity above the visual cortex. The patient could not visually detect any objects before injection with or without the goggles or after injection without the goggles. This is the first reported case of partial functional recovery in a neurodegenerative disease after optogenetic therapy. Combined intraocular injection of an adeno-associated viral vector, encoding an optogenetic sensor, with light stimulation via engineered goggles enables partial recovery of visual function in a blind patient.

In recent years, multielectrode arrays and large silicon probes have been developed to record simultaneously between hundreds and thousands of electrodes packed with a high density. However, they require novel methods to extract the spiking activity of large ensembles of neurons. Here, we developed a new toolbox to sort spikes from these large-scale extracellular data. To validate our method, we performed simultaneous extracellular and loose patch recordings in rodents to obtain 'ground truth' data, where the solution to this sorting problem is known for one cell. The performance of our algorithm was always close to the best expected performance, over a broad range of signal-to-noise ratios, in vitro and in vivo. The algorithm is entirely parallelized and has been successfully tested on recordings with up to 4225 electrodes. Our toolbox thus offers a generic solution to sort accurately spikes for up to thousands of electrodes.

Abstract Restoring vision using optogenetics is an ideal medical application because the eye offers a direct window to access and stimulate the pathological area: the retina. Optogenetic therapy could be applied to diseases with photoreceptor degeneration such as retinitis pigmentosa. Here, we select the specific optogenetic construct that is now used in the clinical trial and assess the opsin functional efficacy on non-human primate’s retinal ganglion cells (RGCs). We chose the microbial opsin ChrimsonR and showed that the vector AAV2.7m8 produced greater transfection in RGCs compared to AAV2, and that ChrimsonR attached to tdTomato (ChR-tdT) is more efficiently expressed than ChrimsonR. The 600 nm light activates the RGCs transfected with the vector AAV2.7m8-ChR-tdT from an irradiance of 10 15 photons.cm -2 .s -1 . Vector doses of 5.10 10 and 5.10 11 vg/eye transfect up to 7000 RGCs/mm 2 in the perifovea, with no significant immune reaction. Furthermore, using a multielectrode array we recorded RGCs responses starting from 1ms stimulus duration. Using the recorded activity we were able to decode stimulus information and estimate a theoretical visual acuity of 20/249, above legal blindness. Altogether, our results pave the way for the ongoing clinical trial with the AAV2.7m8-ChrimsonR-tdT vector for vision restoration in patients affected by retinitis pigmentosa. One Sentence Summary We select here the vector and genetic construct best suited to provide vision restoration in patients suffering from retinopathies, we demonstrate temporal resolution compatible with high dynamic visual scenes and a visual acuity above legal blindness.

Abstract Remote, precisely controlled activation of the brain is a fundamental challenge in the development of brain-machine interfaces providing feasible rehabilitation strategies for neurological disorders. Low-frequency ultrasound stimulation can be used to modulate neuronal activity deep in the brain 1–7 , but this approach lacks spatial resolution and cellular selectivity and loads the brain with high levels of acoustic energy. The combination of the expression of ultrasound-sensitive proteins with ultrasound stimulation (‘sonogenetic stimulation’) can provide cellular selectivity and higher sensitivity, but such strategies have been subject to severe limitations in terms of spatiotemporal resolution in vivo 8–10 , precluding their use for real-life applications. We used the expression of large-conductance mechanosensitive ion channels (MscL) with high-frequency ultrasonic stimulation for a duration of milliseconds to activate neurons selectively at a relatively high spatiotemporal resolution in the rat retina ex vivo and the primary visual cortex of rodents in vivo . This spatiotemporal resolution was achieved at low energy levels associated with negligible tissue heating and far below those leading to complications in ultrasound neuromodulation 6,11 . We showed, in an associative learning test, that sonogenetic stimulation of the visual cortex generated light perception. Our findings demonstrate that sonogenetic stimulation is compatible with millisecond pattern presentation for visual restoration at the cortical level. They represent a step towards the precise transfer of information over large distances to the cortical and subcortical regions of the brain via an approach less invasive than that associated with current brain-machine interfaces and with a wide range of applications in neurological disorders.

Abstract Optogenetic activation of neurons [1] have greatly contributed to our understanding of how neural circuits operate, and holds huge promise in the field of neural prosthetics, particularly in sensory restoration. The discovery of new channelrhodopsins, Chrimson — which is 45 nm more red-shifted than any previously discovered or engineered channelrhodopsin — and its mutant ChrimsonR with faster kinetics [2] made this technology available for medical applications. However, a detailed model that would be able to accurately reproduce the membrane potential dynamics in cells transfected with ChrimsonR under light stimulation is missing. We address this issue by developing the first model for the electrochemical behavior of ChrimsonR that predicts its conductance in response to arbitrary light stimulation. Our model captures ON and OFF dynamics of the protein for stimuli with frequencies up to 100 Hz and their relationship with the brightness, as well as its activation curve, the steady-state amplitude of the response as a function of light intensity. Additionally, we capture a slow adaptation mechanism at a timescale at the order of minutes. Our model holds for light intensities covering the whole dynamic range of the channel (from response onset to saturation) and for timescales in the order of up to several minutes. This model is a new step towards modeling the spiking activity of ChrimsonR-expressing neurons, required for the precise control of information transmission in optogenetics-based Brain-Computer Interfaces, and will inform future applications of ChrimsonR based optogenetics.

Optogenetic stimulation of the primary visual cortex (V1) is a promising therapy for sight restoration, but it remains unclear what total cerebral volume is activated after surface stimulation. In this study, we expressed the red-shifted opsin ChrimsonR in excitatory neurons within V1 in rats, and used the fine spatial resolution provided by functional ultrasound imaging (fUS) over the whole depth of the brain to investigate the brain response to focal surface stimulation. We observed optogenetic activation of a high proportion of the volume of V1. Extracellular recordings confirmed the neuronal origin of this activation. Moreover, neuronal responses were even located in deep layers under conditions of low irradiance, spreading to the LGN and V2, consistent with a normal visual information process. This study paves the way for the use of optogenetics for cortical therapies, and highlights the value of coupling fUS with optogenetics.

ABSTRACT To better understand how the brain allows primates to perform various set of tasks, the ability to simultaneously record the activity of the brain at multiple temporal and spatial scales is challenging but necessary. In non-human primates, combined fMRI and electrophysiological recordings have not disentangle the contributions of spiking activity to the neurovascular response. Here, we combined functional ultrasound imaging (fUS) of cerebral blood volume (CBV) and recording of single-unit activities (SUA) in visual and fronto-medial cortices of behaving macaques. We computed task-induced and SUA-induced CBV activation maps. We demonstrate that SUA provides a significant estimate of the neurovascular response below the typical fMRI voxel spatial resolution of 2mm 3 . Furthermore, our results also show that single unit and CBV activities are statistically uncorrelated during the resting states but correlate during behaving tasks. Conversely, during the resting states, CBV activities across known connected brain areas are correlated but decorrelate at the onset of the tasks as expected if participating in the default mode network (DMN). These results have important implications for interpreting functional imaging findings collected with fMRI or fUS while one constructs inferences of spiking activities during resting-state or while primates perform tasks.

Abstract The anatomical differences between the retinas of humans and most animal models pose a challenge for testing novel therapies. Non-human primate (NHP) retina is anatomically closest to the human retina with the presence of a high acuity region called the fovea. However, there is a lack of relevant NHP models for retinal degeneration that can be used for preclinical studies of vision restoration. To address this unmet need we aimed to generate inducible NHP models of photoreceptor degeneration. We generated three cynomolgus macaque models using distinct strategies. We used two genetically targeted strategies using optogenetics and Crispr-Cas9 to ablate specifically rods to mimic rod-cone dystrophy. Additionally, we created an acute model by physical separation of the photoreceptors and retinal pigment epithelium using a polymer patch. Retinal degeneration was evaluated in all three models by in-life exams such as fundus imaging, optical coherence tomography, adaptive optics and electroretinography. In the genetic models we observed punctuate areas of degeneration in the injected area marked by disorganization of outer segments, loss of rod photoreceptors and thinning of the outer nuclear layer. In the acute model, the degeneration was faster and involved both rods and cones. Among the three distinct NHP models, the Crispr-Cas9 based approach was the most advantageous model in view of recapitulating disease specific features and its ease of implementation. The acute model however resulted in the fastest degeneration making it the most relevant model for testing end-stage vision restoration therapies such as stem cell transplantation.