A simple and general chemical structure change to a panel of cell-permeable small-molecule fluorophores increases their brightness and photostability, which will enable improved single-molecule studies and super-resolution imaging. Specific labeling of biomolecules with bright fluorophores is the keystone of fluorescence microscopy. Genetically encoded self-labeling tag proteins can be coupled to synthetic dyes inside living cells, resulting in brighter reporters than fluorescent proteins. Intracellular labeling using these techniques requires cell-permeable fluorescent ligands, however, limiting utility to a small number of classic fluorophores. Here we describe a simple structural modification that improves the brightness and photostability of dyes while preserving spectral properties and cell permeability. Inspired by molecular modeling, we replaced the N,N-dimethylamino substituents in tetramethylrhodamine with four-membered azetidine rings. This addition of two carbon atoms doubles the quantum efficiency and improves the photon yield of the dye in applications ranging from in vitro single-molecule measurements to super-resolution imaging. The novel substitution is generalizable, yielding a palette of chemical dyes with improved quantum efficiencies that spans the UV and visible range.

Genetically encoded calcium indicators (GECIs) are powerful tools for systems neuroscience. Recent efforts in protein engineering have significantly increased the performance of GECIs. The state-of-the art single-wavelength GECI, GCaMP3, has been deployed in a number of model organisms and can reliably detect three or more action potentials in short bursts in several systems in vivo . Through protein structure determination, targeted mutagenesis, high-throughput screening, and a battery of in vitro assays, we have increased the dynamic range of GCaMP3 by severalfold, creating a family of “GCaMP5” sensors. We tested GCaMP5s in several systems: cultured neurons and astrocytes, mouse retina, and in vivo in Caenorhabditis chemosensory neurons, Drosophila larval neuromuscular junction and adult antennal lobe, zebrafish retina and tectum, and mouse visual cortex. Signal-to-noise ratio was improved by at least 2- to 3-fold. In the visual cortex, two GCaMP5 variants detected twice as many visual stimulus-responsive cells as GCaMP3. By combining in vivo imaging with electrophysiology we show that GCaMP5 fluorescence provides a more reliable measure of neuronal activity than its predecessor GCaMP3. GCaMP5 allows more sensitive detection of neural activity in vivo and may find widespread applications for cellular imaging in general.

Genetically encoded calcium indicators (GECIs) allow measurement of activity in large populations of neurons and in small neuronal compartments, over times of milliseconds to months. Although GFP-based GECIs are widely used for in vivo neurophysiology, GECIs with red-shifted excitation and emission spectra have advantages for in vivo imaging because of reduced scattering and absorption in tissue, and a consequent reduction in phototoxicity. However, current red GECIs are inferior to the state-of-the-art GFP-based GCaMP6 indicators for detecting and quantifying neural activity. Here we present improved red GECIs based on mRuby (jRCaMP1a, b) and mApple (jRGECO1a), with sensitivity comparable to GCaMP6. We characterized the performance of the new red GECIs in cultured neurons and in mouse, Drosophila, zebrafish and C. elegans in vivo. Red GECIs facilitate deep-tissue imaging, dual-color imaging together with GFP-based reporters, and the use of optogenetics in combination with calcium imaging.

Genetically encoded calcium indicators (GECIs) are powerful tools for systems neuroscience. Here we describe red, single-wavelength GECIs, "RCaMPs," engineered from circular permutation of the thermostable red fluorescent protein mRuby. High-resolution crystal structures of mRuby, the red sensor RCaMP, and the recently published red GECI R-GECO1 give insight into the chromophore environments of the Ca(2+)-bound state of the sensors and the engineered protein domain interfaces of the different indicators. We characterized the biophysical properties and performance of RCaMP sensors in vitro and in vivo in Caenorhabditis elegans, Drosophila larvae, and larval zebrafish. Further, we demonstrate 2-color calcium imaging both within the same cell (registering mitochondrial and somatic [Ca(2+)]) and between two populations of cells: neurons and astrocytes. Finally, we perform integrated optogenetics experiments, wherein neural activation via channelrhodopsin-2 (ChR2) or a red-shifted variant, and activity imaging via RCaMP or GCaMP, are conducted simultaneously, with the ChR2/RCaMP pair providing independently addressable spectral channels. Using this paradigm, we measure calcium responses of naturalistic and ChR2-evoked muscle contractions in vivo in crawling C. elegans. We systematically compare the RCaMP sensors to R-GECO1, in terms of action potential-evoked fluorescence increases in neurons, photobleaching, and photoswitching. R-GECO1 displays higher Ca(2+) affinity and larger dynamic range than RCaMP, but exhibits significant photoactivation with blue and green light, suggesting that integrated channelrhodopsin-based optogenetics using R-GECO1 may be subject to artifact. Finally, we create and test blue, cyan, and yellow variants engineered from GCaMP by rational design. This engineered set of chromatic variants facilitates new experiments in functional imaging and optogenetics.

Neon gas excited by 800-nm laser pulses (15 mJ, 125 fsec) at an intensity near ${10}^{15}$ W/${\mathrm{cm}}^{2}$ generates harmonics up to 109th order. The appearance of successively higher harmonics as the laser intensity is increased is compared to recent calculations of the strong-field atomic response. Blueshifting of the laser and harmonic wavelengths indicates a small degree of ionization until the threshold for the highest harmonic (>91st) is reached.

Pushing the frontier of fluorescence microscopy requires the design of enhanced fluorophores with finely tuned properties. We recently discovered that incorporation of four-membered azetidine rings into classic fluorophore structures elicits substantial increases in brightness and photostability, resulting in the Janelia Fluor (JF) series of dyes. We refined and extended this strategy, finding that incorporation of 3-substituted azetidine groups allows rational tuning of the spectral and chemical properties of rhodamine dyes with unprecedented precision. This strategy allowed us to establish principles for fine-tuning the properties of fluorophores and to develop a palette of new fluorescent and fluorogenic labels with excitation ranging from blue to the far-red. Our results demonstrate the versatility of these new dyes in cells, tissues and animals.

The authors found that dendritic plateau potentials, resulting from the conjunction of EC3 and CA3 inputs, positively modulate existing place fields and induce novel place field formation in CA1 pyramidal neurons. Such a canonical circuit operation may support the formation of spatial maps in the hippocampus and the acquisition of feature selectivity elsewhere in cortex. Feature-selective firing allows networks to produce representations of the external and internal environments. Despite its importance, the mechanisms generating neuronal feature selectivity are incompletely understood. In many cortical microcircuits the integration of two functionally distinct inputs occurs nonlinearly through generation of active dendritic signals that drive burst firing and robust plasticity. To examine the role of this processing in feature selectivity, we recorded CA1 pyramidal neuron membrane potential and local field potential in mice running on a linear treadmill. We found that dendritic plateau potentials were produced by an interaction between properly timed input from entorhinal cortex and hippocampal CA3. These conjunctive signals positively modulated the firing of previously established place fields and rapidly induced new place field formation to produce feature selectivity in CA1 that is a function of both entorhinal cortex and CA3 input. Such selectivity could allow mixed network level representations that support context-dependent spatial maps.