Summary

 Neurons transmit information to distant brain regions via long-range axonal projections. In the mouse, area-to-area connections have only been systematically mapped using bulk labeling techniques, which obscure the diverse projections of intermingled single neurons. Here we describe MAPseq (Multiplexed Analysis of Projections by Sequencing), a technique that can map the projections of thousands or even millions of single neurons by labeling large sets of neurons with random RNA sequences ("barcodes"). Axons are filled with barcode mRNA, each putative projection area is dissected, and the barcode mRNA is extracted and sequenced. Applying MAPseq to the locus coeruleus (LC), we find that individual LC neurons have preferred cortical targets. By recasting neuroanatomy, which is traditionally viewed as a problem of microscopy, as a problem of sequencing, MAPseq harnesses advances in sequencing technology to permit high-throughput interrogation of brain circuits.

Abstract The structure of neuronal connectivity often provides insights into the relevant stimulus features, such as spatial location, orientation, sound frequency, etc 1–6 . The olfactory system, however, appears to lack structured connectivity as suggested by reports of broad and distributed connections both from the olfactory bulb to the piriform cortex 7–22 and within the cortex 23–25 . These studies have inspired computational models of circuit function that rely on random connectivity 26–33 . It remains, nonetheless, unclear whether the olfactory connectivity contains spatial structure. Here, we use high throughput anatomical methods (MAPseq and BARseq) 34–38 to analyze the projections of 5,309 bulb and 30,433 piriform cortex output neurons in the mouse at single-cell resolution. We identify previously unrecognized spatial organization in connectivity along the anterior-posterior axis (A-P) of the piriform cortex. We find that both the bulb projections to the cortex and the cortical outputs are not random, but rather form gradients along the A-P axis. Strikingly, these gradients are matched : bulb neurons targeting a given location within the piriform cortex co-innervate extra-piriform regions that receive strong inputs from neurons within that piriform locus. We also identify signatures of local connectivity in the piriform cortex. Our findings suggest an organizing principle of matched direct and indirect olfactory pathways that innervate extra-piriform targets in a coordinated manner, thus supporting models of information processing that rely on structured connectivity within the olfactory system.

Abstract Elucidating neural circuits that enable robust odor identification remains a fundamental challenge in olfaction. The current leading model states that odor identity is computed within the piriform cortex (PC), drawing from mitral cell input from the olfactory bulb. Here we find that tufted cells, the other principal cell-type of the bulb, which strongly innervate the anterior olfactory nucleus (AON) instead, substantially outperform mitral cells in decoding both odor identity and intensity, acting in a largely feedforward fashion. Cortical feedback from PC specifically restructures mitral cell responses, while feedback from AON preferentially controls the gain of tufted cell odor representations, matching biases in feedforward connectivity. Leveraging cell-type specific analyses, we identify a non-canonical feedforward pathway for odor recognition and discrimination mediated by the tufted cells, and propose that bulb target areas, other than the piriform cortex, such as AON and olfactory striatum, are well-positioned to compute odor identity.

The elementary stimulus features encoded by the olfactory system remain poorly understood. We examined the relationship between 1,666 physical-chemical descriptors of odors and the activity of olfactory bulb inputs as well as outputs in awake mice. Glomerular and M/T cell responses were sparse and locally heterogeneous, with only a coarse dependence of glomerular positions on physical-chemical properties. Odor features represented by ensembles of M/T cells were overlapping, but distinct from those represented in glomeruli, consistent with extensive interplay between feedforward and feedback inputs to the bulb. This reformatting was well-described as a rotation in odor space. The descriptors accounted for a small fraction in response variance, and the similarity of odors in physical-chemical space was a poor predictor of similarity in neuronal representations. Our results suggest that commonly used physical-chemical properties are not systematically represented in bulbar activity and encourage further search for better descriptors of odor space.

While animals readily adjust their behavior to adapt to relevant changes in the environment, the neural pathways enabling these changes remain largely unknown. Here, using multiphoton imaging, we investigated whether feedback from the piriform cortex to the olfactory bulb supports such behavioral flexibility. To this end, we engaged head-fixed mice in a multimodal rule-reversal task guided by olfactory and auditory cues. Both odor and, surprisingly, the sound cues triggered cortical bulbar feedback responses which preceded the behavioral report. Responses to the same sensory cue were strongly modulated upon changes in stimulus-reward contingency (rule reversals). The re-shaping of individual bouton responses occurred within seconds of the rule-reversal events and was correlated with changes in the behavior. Optogenetic perturbation of cortical feedback within the bulb disrupted the behavioral performance. Our results indicate that the piriform-to-olfactory bulb feedback carries reward contingency signals and is rapidly re-formatted according to changes in the behavioral context.

Odor stimuli in the natural environment are intermittent and the concentration of any given odor fluctuates rapidly over time. Further, even in the simplest scenario, the olfactory sensors receive uncorrelated, intermittent inputs in the form of odor plumes arising from several odor sources in the local environment. However, typically used odor stimuli under laboratory settings are restricted to long-duration (~seconds), single pulse of one odor at a time that are rarely encountered in natural environment. This inadequate choice of odor stimuli is due to lack of affordable odor delivery systems that can generate plume-like, naturalistic stimuli with high reproducibility such as to allow for repeat measurements under laboratory conditions. We thus developed an odor delivery system that generates arbitrary time-varying patterns of individual odors and ternary mixtures at time scale of ~20 Hz. Here, we provide a detailed description of the construction and output characterization of our odor delivery system.

The olfactory glomerulus is the anatomical and functional unit of the olfactory bulb, defined by convergent input from olfactory sensory neuron (OSN) axons expressing the same type of odorant receptor (OR). A key marker of mature olfactory sensory neurons (OSNs) is the olfactory marker protein (OMP), whose deletion has been associated with deficits in OSN signal transduction and odor discrimination. Here, we have investigated glomerular odor responses and anatomical architecture in mice in which one or both alleles of OMP were replaced by the fluorescent synaptic activity reporter, synaptopHluorin (OMP+/- and OMP-/- mice, respectively). Functionally heterogeneous glomeruli, that is, ones with micro-domains with distinct odor responses were rare in OMP+/- mice, but occurred frequently in OMP-/- mice. Genetic targeting of single ORs revealed that these micro-domains arise from anomalous co-innervation of individual glomeruli by OSNs expressing different ORs. The glomerular mistargeting of OSNs in the absence of OMP is restricted to a local neighborhood of a few glomerular diameters. Our studies document functional heterogeneity in sensory input within individual glomeruli and uncover its anatomical correlate, revealing an unexpected role for OMP in the formation and refinement of the glomerular olfactory map.

Neurons transmit information to distant brain regions via long-range axonal projections. In the mouse, area-to-area connections have only been systematically mapped using bulk labeling techniques, which obscure the diverse projections of intermingled single neurons. Here we describe MAPseq (Multiplexed Analysis of Projections by Sequencing), a technique that can map the projections of thousands or even millions of single neurons by labeling large sets of neurons with random RNA sequences ("barcodes"). Axons are filled with barcode mRNA, each putative projection area is dissected, and the barcode mRNA is extracted and sequenced. Applying MAPseq to the locus coeruleus (LC), we find that individual LC neurons have preferred cortical targets. By recasting neuroanatomy, which is traditionally viewed as a problem of microscopy, as a problem of sequencing, MAPseq harnesses advances in sequencing technology to permit high-throughput interrogation of brain circuits.

Present light sheet fluorescence microscopes lack the wherewithal to image the whole brain (large tissues) with uniform illumination/detection parameters and high enough resolution to provide an understanding of the various aspects of neuroanatomy. To overcome this, we developed an oblique version of the light sheet microscope (Oblique Light Sheet Tomography, OLST) that includes a high magnification objective and serial sectioning, for volumetric imaging of the whole mouse brain at high spatial resolution at constant illumination/detection. We developed a novel gelatin based re-embedding procedure that makes the cleared brain rigid so that it can sectioned using our integrated microtome. Here, we characterize OLST and show that it can be used to observe dendritic morphology, spines and follow axons over a few mm in the mouse brain.