Adaptive behaviour crucially depends on flexible decision-making, which in mammals relies on the frontal cortex, specifically the orbitofrontal cortex (OFC)1–9. How OFC encodes decision variables and instructs sensory areas to guide adaptive behaviour are key open questions. Here we developed a reversal learning task for head-fixed mice, monitored the activity of neurons of the lateral OFC using two-photon calcium imaging and investigated how OFC dynamically interacts with primary somatosensory cortex (S1). Mice learned to discriminate 'go' from 'no-go' tactile stimuli10,11 and adapt their behaviour upon reversal of stimulus–reward contingency ('rule switch'). Imaging individual neurons longitudinally across all behavioural phases revealed a distinct engagement of S1 and lateral OFC, with S1 neural activity reflecting initial task learning, whereas lateral OFC neurons responded saliently and transiently to the rule switch. We identified direct long-range projections from lateral OFC to S1 that can feed this activity back to S1 as value prediction error. This top-down signal updated sensory representations in S1 by functionally remapping responses in a subpopulation of neurons that was sensitive to reward history. Functional remapping crucially depended on top-down feedback as chemogenetic silencing of lateral OFC neurons disrupted reversal learning, as well as plasticity in S1. The dynamic interaction of lateral OFC with sensory cortex thus implements computations critical for value prediction that are history dependent and error based, providing plasticity essential for flexible decision-making. Dynamic interaction of neurons in lateral orbitofrontal cortex with the sensory cortex implements value-prediction computations that are history dependent and error based, providing plasticity essential for flexible decision-making.

Deposits of amyloid-β (Aβ) in the brains of rodents can be analysed by invasive intravital microscopy on a submillimetre scale, or via whole-brain images from modalities lacking the resolution or molecular specificity to accurately characterize Aβ pathologies. Here we show that large-field multifocal illumination fluorescence microscopy and panoramic volumetric multispectral optoacoustic tomography can be combined to longitudinally assess Aβ deposits in transgenic mouse models of Alzheimer's disease. We used fluorescent Aβ-targeted probes (the luminescent conjugated oligothiophene HS-169 and the oxazine-derivative AOI987) to transcranially detect Aβ deposits in the cortex of APP/PS1 and arcAβ mice with single-plaque resolution (8 μm) and across the whole brain (including the hippocampus and the thalamus, which are inaccessible by conventional intravital microscopy) at sub-150 μm resolutions. Two-photon microscopy, light-sheet microscopy and immunohistochemistry of brain-tissue sections confirmed the specificity and regional distributions of the deposits. High-resolution multiscale optical and optoacoustic imaging of Aβ deposits across the entire brain in rodents thus facilitates the in vivo study of Aβ accumulation by brain region and by animal age and strain.

Abstract Deposition of beta-amyloid (Aβ) deposits is one major histopathological hallmark of Alzheimer’s disease (AD). Here, we introduce volumetric multi-spectral optoacoustic tomography (vMSOT), which covers 10×10×10 mm 3 field-of-view, capable of 3D whole mouse brain imaging. We show for the first time the optoacoustic properties of oxazine-derivative AOI987 probe, which binds to Aβ, and the application of vMSOT for the quantification of brain-wide Aβ deposition. Administration of AOI987 to two common transgenic mouse strains of AD amyloidosis led to a retention of the probe in Aβ-laden brain regions. Co-registered of vMSOT data to a brain atlas revealed strain-specific pattern of AOI987 uptake. A comparison with ex vivo light-sheet microscopy in cleared mouse brains showed a good correspondence in Aβ distribution. Lastly, we demonstrate the specificity of the AOI987 probe by immunohistochemistry. vMSOT with AOI987 facilitates preclinical brain region-specific studies of Aβ spread and accumulation, and the monitoring of putative treatments targeting Aβ.

Over the course of the past decade, tissue clearing methods have reached a high level of sophistication with a wide variety of approaches now available[1][1]. To image large cleared samples, light-sheet microscopes have proven to be ideal due to their excellent optical sectioning capability in

Flexible decision-making is crucial for adaptive behaviour. Such behaviour in mammals largely relies on the frontal cortex, and specifically, the orbitofrontal cortex (OFC). How OFC neurons encode decision variables and instruct sensory areas to guide adaptive behaviour is a key open question. Here we developed a reversal learning task for head-fixed mice together with two-photon calcium imaging to monitor the activity of lateral OFC neuronal populations and investigated their dynamic interaction with primary somatosensory cortex (S1). Mice trained on this task learned to discriminate go/no-go tactile stimuli and adapt their behaviour upon changes in stimulus–reward contingencies (‘rule-switch’). Longitudinal imaging at cellular resolution across weeks during all behavioural phases revealed a distinct engagement of S1 and lateral OFC neurons: S1 neural activity reflected task learning-related responses, while neurons in the lateral OFC saliently and transiently responded to the rule-switch. A subset of OFC neurons conveyed a value prediction error signal via feedback projections to S1, as direct anatomical long-range projections were revealed by retrograde tracing combined with whole-brain light-sheet microscopy. Top-down signals implemented an update of sensory representations and functionally reconfigured a small subpopulation of S1 neurons that were differentially modulated by reward-history. Functional remapping of these neurons crucially depended on top-down inputs, as chemogenetic silencing of lateral OFC neurons disrupted reversal learning and impaired plastic changes in these outcome-sensitive S1 neurons. Our results reveal the presence of long-range cortical interactions between cellular ensembles in higher and lower-order brain areas specifically recruited during context-dependent learning and task-switching. Such interactions crucially implement history-dependent reward-value computations and error heuristics, which, in turn, help guide adaptive behaviour.

Abstract Two inhibitory cell types involved in modulating barrel cortex activity and perception during active whisking in adult mice, are the VIP + and SST + interneurons. Here we identify a developmental transition point of structural and functional rearrangements onto these interneuron types around the start of active sensation at P14. Using in vivo two-photon Ca 2+ imaging, we find that before P14, both interneuron types respond stronger to a multi-whisker stimulus, whereas after P14 their responses diverge, with VIP + cells losing their multi-whisker preference and SST + neurons enhancing theirs. Rabies virus tracings followed by tissue clearing, as well as photostimulation-coupled electrophysiology reveal that SST + cells receive higher cross-barrel inputs compared to VIP + at both time points. In addition, we also uncover that whereas prior to P14 both cell types receive direct input from the sensory thalamus, after P14 VIP + cells show reduced inputs and SST + cells largely shift to motor-related thalamic nuclei.

Abstract Rapid advances in tissue clearing protocols have begun to outpace the capabilities of existing microscope objectives: High-resolution imaging inside cm-sized cleared samples is often not possible as it requires multi-immersion objectives with high numerical aperture (NA > 0.7), long working distance (WD > 10 mm) and a large field-of-view (FOV > 1 mm). Here, we introduce a novel mirror-based optical design, the “Schmidt objective”, which meets all these criteria despite containing only two optical elements. It consists of a spherical mirror in contact with the immersion medium and an aspherical correction plate. We showcase a multi-photon variant of a Schmidt objective that reaches NA 1.08 at an refractive index of 1.56 and demonstrate its versatility by imaging fixed samples in a wide range of immersion media ranging from air and water to BABB, DBE, and ECI. In addition, we demonstrate in vivo imaging by recording neuronal activity in larval zebrafish.

Neuronal networks of the mammalian motor cortex (M1) are important for dexterous control of limb joints. Yet it remains unclear how encoding of joint movement in M1 networks depends on varying environmental contexts. Using calcium imaging we measured neuronal activity in layer 2/3 of the mouse M1 forelimb region while mice grasped either regularly or irregularly spaced ladder rungs during locomotion. We found that population coding of forelimb joint movements is sparse and varies according to the flexibility demanded from them in the regular and irregular context, even for equivalent grasping actions across conditions. This context-dependence of M1 network encoding emerged during learning of the locomotion task, fostered more precise grasping actions, but broke apart upon silencing of projections from secondary motor cortex (M2). These findings suggest that M2 reconfigures M1 neuronal circuits to adapt joint processing to the flexibility demands in specific familiar contexts, thereby increasing the accuracy of motor output.

Neuronal circuits of the spinal dorsal horn integrate sensory information from the periphery with inhibitory and facilitating input from higher CNS areas. Most previous work focused on descending projections originating from the hindbrain. Less is known about the organisation of inputs descending from the cerebral cortex. Here, we identified cholecystokinin (CCK) positive layer 5 pyramidal neurons of the primary somatosensory cortex (S1-CST neurons) as a major source of descending input to the spinal dorsal horn. We combined intersectional genetics and virus-mediated gene transfer to characterize CCK+ S1-CST neurons and to define their presynaptic input and postsynaptic target neurons. We found that S1-CST neurons constitute a heterogeneous population that can be subdivided into distinct molecular subgroups. Rabies-based retrograde tracing revealed monosynaptic input from layer 2/3 pyramidal neurons, from parvalbumin (PV) and neuropeptide Y (NPY) positive cortical interneurons, and from thalamic relay neurons in the ventral posterolateral nucleus. WGA-based anterograde tracing identified postsynaptic target neurons in dorsal horn laminae III and IV. About 60% of these neurons were inhibitory and about 60% of all spinal target neurons expressed the transcription factor c-Maf. The heterogeneous nature of both S1-CST neurons and their spinal targets suggest sophisticated roles in the fine-tuning of sensory processing.

Abstract Many efforts targeting amyloid-β (Aβ) plaques for the treatment of Alzheimer’s Disease thus far have resulted in failures during clinical trials. Regional and temporal heterogeneity of efficacy and dependence on plaque maturity may have contributed to these disappointing outcomes. In this study, we mapped the regional and temporal specificity of various anti-Aβ treatments through high-resolution light-sheet imaging of electrophoretically-cleared brains. We assessed the effect on amyloid plaque formation and growth in Thy1-APP/PS1 mice subjected to β-secretase inhibitors, polythiophenes, or anti-Aβ antibodies. Each treatment showed unique spatiotemporal Aβ clearance, with polythiophenes emerging as a potent anti-Aβ compound. Furthermore, aligning with a spatial-transcriptomic atlas revealed transcripts that correlate with the efficacy of each Aβ therapy. As observed in this study, there is a striking dependence of specific treatments on the location and maturity of Aβ plaques. This may also contribute to the clinical trial failures of Aβ-therapies, suggesting that combinatorial regimens may be significantly more effective in clearing amyloid deposition.