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.

Genetically-encoded calcium indicators (GECIs) facilitate imaging activity of genetically defined neuronal populations in vivo. The high intracellular GECI concentrations required for in vivo imaging are usually achieved by viral gene transfer using adeno-associated viruses. Transgenic expression of GECIs promises important advantages, including homogeneous, repeatable, and stable expression without the need for invasive virus injections. Here we present the generation and characterization of transgenic mice expressing the GECIs GCaMP6s or GCaMP6f under the Thy1 promoter. We quantified GCaMP6 expression across brain regions and neurons and compared to other transgenic mice and AAV-mediated expression. We tested three mouse lines for imaging in the visual cortex in vivo and compared their performance to mice injected with AAV expressing GCaMP6. Furthermore, we show that GCaMP6 Thy1 transgenic mice are useful for long-term, high-sensitivity imaging in behaving mice.

Taking a snapshot of active brain circuitry Neuroscientists now have a method to mark active populations of neurons in vivo to study circuit activity in the behaving animal. Fosque et al. designed and thoroughly validated a fluorescent protein–based reagent that allows permanent marking of active cells over short time scales. This indicator, termed CaMPARI, switches from its native green to a red fluorescent state by simultaneous illumination with violet light and exposure to increased levels of intracellular calcium. CaMPARI successfully marked active nerve cells in Drosophila , zebrafish, and mouse brains. Science , this issue p. 755

The quality of genetically encoded calcium indicators (GECIs) has improved dramatically in recent years, but high-performing ratiometric indicators are still rare. Here we describe a series of fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based calcium biosensors with a reduced number of calcium binding sites per sensor. These 'Twitch' sensors are based on the C-terminal domain of Opsanus troponin C. Their FRET responses were optimized by a large-scale functional screen in bacterial colonies, refined by a secondary screen in rat hippocampal neuron cultures. We tested the in vivo performance of the most sensitive variants in the brain and lymph nodes of mice. The sensitivity of the Twitch sensors matched that of synthetic calcium dyes and allowed visualization of tonic action potential firing in neurons and high resolution functional tracking of T lymphocytes. Given their ratiometric readout, their brightness, large dynamic range and linear response properties, Twitch sensors represent versatile tools for neuroscience and immunology.