The mouse accessory olfactory system (AOS) supports social and reproductive behavior through the sensation of environmental chemosignals. A growing number of excreted steroids have been shown to be potent AOS cues, including bile acids (BAs) found in feces. As is still the case with most AOS ligands, the specific receptors used by vomeronasal sensory neurons (VSNs) to detect BAs remain unknown. To identify VSN BA receptors, we first performed a deep analysis of VSN BA tuning using volumetric GCaMP6f/s Ca2+ imaging. These experiments revealed both broadly and narrowly tuned populations of BA-receptive VSNs with sub-micromolar sensitivities. We then developed a new physiology-forward approach for identifying AOS ligand-receptor interactions, which we call Fluorescence Live Imaging for Cell Capture and RNA-seq, or FLICCR-seq. FLICCR-seq analysis revealed 5 specific V1R-family receptors enriched in BA-sensitive VSNs. These studies introduce a powerful new approach for ligand-receptor matching and reveal biological mechanisms underlying mammalian BA chemosensation.

Chemosensory information processing in the mouse accessory olfactory system (AOS) guides the expression of social behavior. After salient chemosensory encounters, the accessory olfactory bulb (AOB) experiences changes in the balance of excitation and inhibition at reciprocal synapses between mitral cells (MCs) and local interneurons. The mechanisms underlying these changes remain controversial. Moreover, it remains unclear whether MC-interneuron plasticity is unique to specific behaviors, such as mating, or whether it is a more general feature of the AOB circuit. Here, we describe targeted electrophysiological studies of AOB inhibitory internal granule cells (IGCs), many of which upregulate the immediate-early gene Arc after male-male social experience. Following the resident-intruder paradigm, Arc-expressing IGCs in acute AOB slices from resident males displayed stronger excitation than non-expressing neighbors when sensory inputs are stimulated. The increased excitability of Arc-expressing IGCs was not correlated with changes in the strength or number of excitatory synapses with MCs, but was instead associated with increased intrinsic excitability and decreased HCN channel-mediated IH currents. Consistent with increased inhibition by IGCs, MCs responded to sensory input stimulation with decreased depolarization and spiking following resident-intruder encounters. These results reveal that non-mating behaviors drive AOB inhibitory plasticity, and indicate that increased MC inhibition involves intrinsic excitability changes in Arc-expressing interneurons.

The accessory olfactory bulb (AOB) is a critical circuit in the mouse accessory olfactory system (AOS), but AOB processing is poorly understood compared to the main olfactory bulb (MOB). We used 2-photon GCaMP6f Ca2+ imaging in an ex vivo preparation to study the chemosensory tuning of AOB external granule cells (EGCs), an interneuron population hypothesized to broadly integrate from mitral cells (MCs). We measured MC and EGC tuning to natural chemosignal blends and monomolecular ligands, finding that EGC tuning was far sparser than MC tuning. Simultaneous patch-clamp electrophysiology and Ca2+ imaging indicated that this was only partially explained by lower GCaMP6f-to-spiking ratios in EGCs compared to MCs. Ex vivo patch-clamp recordings revealed that EGC subthreshold responsivity was broad, but monomolecular ligand responses were insufficient to elicit spiking. These results indicate that EGC spiking is selectively engaged by chemosensory blends, suggesting different roles for EGCs than analogous interneurons in the MOB.

Abstract/Summary In the mouse accessory olfactory bulb (AOB), inhibitory interneurons play an essential role in gating behaviors elicited by sensory exposure to social odors. Several morphological classes have been described, but the full complement of interneurons remains incomplete. In order to develop a more comprehensive view of interneuron function in the AOB, we performed targeted patch clamp recordings from partially-overlapping subsets of genetically-labeled and morphologically-defined interneuron types. Gad2 (GAD65), Calb2 (calretinin), and Cort (cortistatin)-cre mouse lines were used to drive selective expression of tdTomato in AOB interneurons. Gad2 and Calb2- labeled interneurons were found in the internal, external, and glomerular layers, whereas Cort -labeled interneurons were enriched within the lateral olfactory tract (LOT) and external cellular layer (ECL). We found that external granule cells (EGCs) from all genetically-labeled subpopulations possessed intrinsic functional differences that allowed them to be readily distinguished from internal granule cells (IGCs). EGCs showed stronger voltage-gated Na + and non-inactivating voltage-gated K + currents, decreased I H currents, and robust excitatory synaptic input. These specific intrinsic properties did not correspond to any genetically-labeled type, suggesting that transcriptional heterogeneity among EGCs and IGCs is not correlated with expression of these particular marker genes. Intrinsic heterogeneity was also seen among AOB juxtaglomerular cells (JGCs), with a major subset of Calb2 -labeled JGCs exhibiting spontaneous and depolarization-evoked plateau potentials. These data identify specific physiological features of AOB interneurons types that will assist in future studies of AOB function. Significance Statement The mouse accessory olfactory bulb (AOB) plays a critical role in processing social chemosensory information. Several morphologically-identified types of AOB inhibitory interneurons are thought to refine and restrict information flow from the AOB to its downstream targets in the limbic system. However, little is known about the electrophysiological and transcriptional diversity among AOB interneuron types. We systematically investigated intrinsic electrophysiological diversity across 5 AOB cell populations in three transgenic mouse lines. Analysis of 26 intrinsic physiological features revealed feature combinations associated with identified morphological AOB cell types, but few associated with the transgenic lines we studied. The results provide quantitative information about functional diversity in AOB interneurons and provide an improved foundation for future studies of AOB circuit function.

Abstract Neurodegenerative tauopathies are hypothesized to propagate via brain networks. This is uncertain because we have lacked precise network resolution of pathology. We therefore developed whole-brain staining methods with anti-p-tau nanobodies and imaged in 3D PS19 tauopathy mice, which have pan-neuronal expression of full-length human tau containing the P301S mutation. We analyzed patterns of p-tau deposition across established brain networks at multiple ages, testing the relationship between structural connectivity and patterns of progressive pathology. We identified core regions with early tau deposition, and used network propagation modeling to determine the link between tau pathology and connectivity strength. We discovered a bias towards retrograde network-based propagation of tau. This novel approach establishes a fundamental role for brain networks in tau propagation, with implications for human disease. One-Sentence Summary Novel whole brain imaging of p-tau deposition reveals retrograde-dominant network propagation in a tauopathy mouse model.

Abstract The accessory olfactory system (AOS) is critical for the development and expression of social behavior. The first dedicated circuit in the AOS, the accessory olfactory bulb (AOB), exhibits cellular and network plasticity in male and female mice after social experience. In the AOB, interneurons called internal granule cells (IGCs) express the plasticity-associated immediate-early gene Arc following intermale aggression or mating. Here, we sought to better understand how Arc -expressing IGCs shape AOB information processing and social behavior in the context of territorial aggression. We used “ArcTRAP” (Arc-CreERT2) transgenic mice to selectively and permanently label Arc -expressing IGCs following male-male resident-intruder interactions. Using whole-cell patch clamp electrophysiology, we found that Arc -expressing IGCs display increased intrinsic excitability for several days after a single resident-intruder interaction. Further, we found that Arc-expressing IGCs maintain this increased excitability across repeated resident-intruder interactions, during which resident mice increase or “ramp” their aggression. We tested the hypothesis that Arc -expressing IGCs participate in ramping aggression. Using a combination of ArcTRAP mice and chemogenetics (Cre-dependent hM4D(G i )-mCherry AAV injections), we found that disruption of Arc-expressing IGC activity during repeated resident-intruder interactions abolishes the ramping aggression exhibited by resident male mice. This work shows that Arc -expressing AOB IGC ensembles are activated by specific chemosensory environments, and play an integral role in the establishment and expression of sex-typical social behavior. These studies identify a population of plastic interneurons in an early chemosensory circuit that display physiological features consistent with simple memory formation, increasing our understanding of central chemosensory processing and mammalian social behavior. Significance statement The accessory olfactory system (AOS) plays a vital role in rodent chemosensory social behavior. We studied experience-dependent plasticity in the accessory olfactory bulb (AOB) and found that internal granule cells (IGCs) expressing the immediate-early gene Arc after the resident-intruder paradigm increase their excitability for several days. We investigated the roles of these Arc-expressing IGCs on chemosensory social behavior by chemogenetically manipulating their excitability during repeated social interactions. We found that inhibiting these cells eliminated intermale aggressive ramping behavior. These studies identify a population of plastic interneurons in an early chemosensory circuit that display physiological features consistent with simple memory formation, increasing our understanding of central chemosensory processing and mammalian social behavior.

We present cleared tissue Axially Swept Light-Sheet Microscopy (ctASLM), which achieves sub-micron isotropic resolution, high optical sectioning capability, and large field of view imaging (870x870 micron^2) over a broad range of immersion media. ctASLM can image live, expanded, and both aqueous and organic chemically cleared tissue preparations and provides 2- to 5-fold better axial resolution than confocal or other reported cleared tissue light-sheet microscopes. We image millimeter-sized tissues with sub-micron 3D resolution, which enabled us to perform automated detection of cells and subcellular features such as dendritic spines.

Abstract Accurate and efficient quantification of animal behavior facilitates the understanding of the brain. An emerging approach within machine learning (ML) field is to combine multiple ML-based algorithms to quantify animal behavior. These so-called hybrid models have emerged because of limitations associated with supervised (e.g., random forest, RF) and unsupervised (e.g., hidden Markov model, HMM) ML classifiers. For example, RF models lack temporal information across video frames, and HMM latent states are often difficult to interpret. We sought to develop a hybrid model, and did so in the context of a study of mouse risk assessment behavior. We utilized DeepLabCut to estimate the positions of mouse body parts. Positional features were calculated using DeepLabCut outputs and were used to train RF and HMM models with equal number of states, separately. The per-frame predictions from RF and HMM models were then passed to a second HMM model layer (“reHMM”). The outputs of the reHMM layer showed improved interpretability over the initial HMM output. Finally, we combined predictions from RF and HMM models with selected positional features to train a third HMM model (“reHMM+”). This reHMM+ layered hybrid model unveiled distinctive temporal and human-interpretable behavioral patterns. We applied this workflow to investigate risk assessment to trimethylthiazoline and snake feces odor, finding unique behavioral patterns to each that were separable from attractive and neutral stimuli. We conclude that this layered, hybrid machine learning workflow represents a balanced approach for improving the depth and reliability of ML classifiers in chemosensory and other behavioral contexts. Significance Statement In this study, we integrate two widely-adopted machine learning (ML) classifiers, random forest and hidden Markov model, to develop a layered, hybrid ML-based workflow. Our workflow not only overcomes the intrinsic limitations of each model alone, but also improves the depth and reliability of ML models. Implementing this analytic workflow unveils distinctive and dynamic mouse behavioral patterns to chemosensory cues in the context of mouse risk assessment behavioral experiments. This study provides an efficient and interpretable analytic strategy for the quantification of animal behavior in diverse experimental settings.