ABSTRACT Learning goal-directed behaviours requires integration of separate information streams representing context, relevant stimuli and reward. Dendrites of pyramidal neurons are suitable sites for such integration, but it remains elusive how their responses adapt when an animal learns a new task. Here, we identify two distinct classes of dendritic responses that represent either contextual/sensory information or reward information and that differ in their task- and learning-related dynamics. Using longitudinal calcium imaging of apical dendritic tufts of L5 pyramidal neurons in mouse barrel cortex, we tracked dendritic activity across learning and analyzed both local dendritic branch signals and global apical tuft activity. During texture discrimination learning, sensory representations (including contextual and touch information) strengthened and converged on the reward-predicting tactile stimulus when mice became experts. In contrast, reward-associated responses were particularly strong in the naïve condition and became less pronounced upon learning. When we blocked the representation of unexpected reward in naïve animals with optogenetic inhibition, animals failed to learn until we released the block and learning proceeded normally. Our results suggest that reward signals in dendrites are essential for adjusting neuronal integration of converging inputs to facilitate adaptive behaviour.

Appropriate risk evaluation is essential for survival in complex, uncertain environments. Confronted with choosing between certain (safe) and uncertain (risky) options, animals show strong preference for either option consistently across extended time periods. How such risk preference is encoded in the brain remains elusive. A candidate region is the lateral habenula (LHb), which is prominently involved in value-guided behavior. Here, using a balanced two-alternative choice task and longitudinal two-photon calcium imaging, we identify LHb neurons with risk-preference-selective activity reflecting individual risk preference prior to action selection. By employing whole-brain anatomical tracing, multi-fiber photometry, and projection- and cell-type-specific optogenetics, we find that glutamatergic LHb projections from the medial (MH) but not lateral (LH) hypothalamus provide behavior-relevant synaptic input before action selection. Optogenetic stimulation of MH→LHb axons evoked excitatory and inhibitory postsynaptic responses, whereas LH→LHb projections were excitatory. We thus reveal functionally distinct hypothalamus-habenula circuits for risk preference in habitual economic decision-making.

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.

Abstract In 2015, we launched the mesoSPIM initiative ( www.mesospim.org ), an open-source project aimed at making light-sheet microscopes for large cleared tissues more accessible. Since then, the demand for imaging larger samples at higher speed and resolution has increased, requiring major improvements in the capabilities of light-sheet microscopy. Here, we introduce the next-generation mesoSPIM (“Benchtop”) with significantly increased field of view, improved resolution, and higher throughput compared to the original version. To this end, we developed a new method for testing objective lenses, enabling us to select detection objectives that are most suitable for light-sheet imaging with modern large-sensor sCMOS cameras (sensor diagonal up to 30 mm). The new mesoSPIM has a spatial resolution down to 1.5 µm laterally and 3.3 µm axially across the entire field of view, a magnification up to 20x, and sample sizes ranging from sub-mm up to multiple centimetres (e.g., a whole mouse), while being compatible with all clearing techniques. The microscope is designed as an open-source high-throughput system with a compact footprint, affordable cost, and assembly instructions aimed at non-experts. The user-friendly control software allows for acquisitions with multiple tiles, channels, and angles at high speed. We demonstrate several applications from neuroscience and developmental biology, as well as a novel use in physics, namely imaging particle tracks in transparent crystals that work as particle detectors.

Abstract Recanalization is the mainstay of ischemic stroke treatment. However, even with timely clot removal, many stroke patients recover poorly. Leptomeningeal collaterals (LMCs) are pial anastomotic vessels with yet unknown functions. Utilizing a thrombin-based mouse model of stroke and the gold standard fibrinolytic treatment rt-PA, we here show that LMCs play a critical role in preserving vascular function in ischemic territories. We applied laser speckle contrast imaging, ultrafast ultrasound, and two-photon microscopy, to show that after thrombolysis, LMCs allow for gradual reperfusion resulting in small infarcts. On the contrary, in mice with poor LMCs, distal segments of recanalized arteries collapse and deleterious hyperemia causes hemorrhage and mortality. Accordingly, in stroke patients with poor collaterals undergoing thrombectomy, rapid reperfusion resulted in hemorrhagic transformation and unfavorable recovery. Thus, we identify LMCs as key components regulating reperfusion after stroke. Future therapeutic interventions should aim to enhance collateral function, allowing for gradual reperfusion of ischemic tissues after stroke.

A hallmark of Alzheimer's disease (AD) is the extracellular aggregation of toxic amyloid-beta (Aβ) peptides in form of plaques. Here, we identify netoglitazone, an antidiabetic compound previously tested in humans, as an Aβ aggregation antagonist. Netoglitazone improved cognition and reduced microglia activity in a mouse model of AD. Using quantitative whole-brain three-dimensional histology (Q3D), we precisely identified brain regions where netoglitazone reduced the number and size of Aβ plaques. We demonstrate the utility of Q3D in preclinical drug evaluation for AD by providing a high-resolution brain-wide view of drug efficacy. Applying Q3D has the potential to improve pre-clinical drug evaluation by providing information that can help identify mechanisms leading to brain region-specific drug efficacy.