Abstract Noradrenaline (NA) release from the brainstem nucleus locus coeruleus (LC) changes activity and connectivity in neuronal networks across the brain, thus modulating multiple behavioural states. NA release is mediated by both tonic and burst-like neuronal LC activity. However, it remains unknown whether the functional changes in downstream projection areas depend on these firing patterns. Using optogenetics, pupillometry, photometry, and functional MRI in mice, we show that tonic and burst LC firing patterns elicit brain responses that are specific to the activation frequency and temporal pattern. Tonic activation of the LC evokes nonlinear responses in prefrontal, limbic, and cerebellar regions, in line with the proposed inverted-U relationship between LC activity and behaviour. We further demonstrate that LC activity enhances network integration and acts as a facilitator of brain state transitions, hence increasing brain flexibility. Together, these findings reveal how the LC-NA system achieves a nuanced regulation of global circuit operations.

Abstract Recent neuroimaging experiments have defined low-dimensional gradients of functional connectivity in the cerebral cortex that subserve a spectrum of capacities that span from sensation to cognition. Despite well-known anatomical connections to the cortex, the subcortical areas that support cortical functional organization have been relatively overlooked. One such structure is the thalamus, which maintains extensive anatomical and functional connections with the cerebral cortex across the cortical mantle. The thalamus has a heterogeneous cytoarchitecture, with at least two distinct cell classes that send differential projections to the cortex: granular-projecting ‘Core’ cells and supragranular-projecting ‘Matrix’ cells. Here we use high-resolution 7T resting-state fMRI data and the relative amount of two calcium-binding proteins, parvalbumin and calbindin, to infer the relative distribution of these two cell-types (Core and Matrix, respectively) in the thalamus. First, we demonstrate that thalamocortical connectivity recapitulates large-scale, low-dimensional connectivity gradients within the cerebral cortex. Next, we show that diffusely-projecting Matrix regions preferentially correlate with cortical regions with longer intrinsic fMRI timescales. We then show that the Core–Matrix architecture of the thalamus is important for understanding network topology in a manner that supports dynamic integration of signals distributed across the brain. Finally, we replicate our main results in a distinct 3T resting-state fMRI dataset. Linking molecular and functional neuroimaging data, our findings highlight the importance of the thalamic organization for understanding low-dimensional gradients of cortical connectivity.

Abstract Models of cognitive function typically focus on the cerebral cortex and hence overlook functional links to subcortical structures. This view neglects the highly-conserved ascending arousal system’s role and the computational capacities it provides the brain. In this study, we test the hypothesis that the ascending arousal system modulates cortical neural gain to alter the low-dimensional energy landscape of cortical dynamics. Our analyses of spontaneous functional magnetic resonance imaging data and phasic bursts in both locus coeruleus and basal forebrain demonstrate precise time-locked relationships between brainstem activity, low-dimensional energy landscapes, network topology, and spatiotemporal travelling waves. We extend our analysis to a cohort of experienced meditators and demonstrate locus coeruleus-mediated network dynamics were associated with internal shifts in conscious awareness. Together, these results present a novel view of brain organization that highlights the ascending arousal system’s role in shaping both the dynamics of the cerebral cortex and conscious awareness.

Abstract The biological mechanisms that allow the brain to balance flexibility and integration remain poorly understood. A potential solution to this mystery may lie in a unique aspect of neurobiology, which is that numerous brain systems contain diffuse synaptic connectivity. In this manuscript, we demonstrate that increasing diffuse cortical coupling within a validated biophysical corticothalamic model traverses the system through a quasi-critical regime in which spatial heterogeneities in input noise support transient critical dynamics in distributed sub-regions. We then demonstrate that the presence of quasi-critical states coincides with known signatures of complex, adaptive brain network dynamics. Finally, we demonstrate the presence of similar dynamic signatures in empirical whole brain human neuroimaging data. Together, our results establish that modulating the balance between local and diffuse synaptic coupling in a thalamocortical model subtends the emergence of quasi-critical brain states that act to flexibly transition the brain between unique modes of information processing.

There is substantial evidence that neuromodulatory systems critically influence brain state dynamics; however, most work has been purely descriptive. Here, we quantify, using data combining local inactivation of the basal forebrain with simultaneous measurement of resting-state fMRI activity in the macaque, the causal role of long-range cholinergic input to the stabilization of brain states in the cerebral cortex. Local inactivation of the nucleus basalis of Meynert (nbM) leads to a decrease in the energy barriers required for an fMRI state transition in cortical ongoing activity. Moreover, the inactivation of particular nbM sub-regions predominantly affects information transfer in cortical regions known to receive direct anatomical projections. We demonstrate these results in a simple neurodynamical model of cholinergic impact on neuronal firing rates and slow hyperpolarizing adaptation currents. We conclude that the cholinergic system plays a critical role in stabilizing macroscale brain state dynamics.

Abstract Investigations into the neural basis of conscious perception span multiple scales and levels of analysis. There is, however, a theoretical and methodological gap between advances made at the microscopic scale in animal models and those made at the macroscopic scale in human cognitive neuroscience that places a fundamental limit on our understanding of the neurobiological basis of consciousness. Here, we use computational modelling to bridge this gap. Specifically, we show that the same mechanism that underlies threshold detection in mice – apical dendrite mediated burst firing in thick-tufted layer V pyramidal neurons – determines perceptual dominance in a thalamocortical model of binocular rivalry – a staple task in the cognitive neuroscience of consciousness. The model conforms to the constraints imposed by decades of previous research into binocular rivalry and generalises to the more sophisticated rivalry tasks studied in humans generating novel, testable, explanations of the role of expectation and attention in rivalry. Our model, therefore, provides an empirically-tractable bridge between cellular-level mechanisms and conscious perception.

Abstract Despite their widespread use, we have limited knowledge of the mechanisms by which sedatives mediate their effects on brain-wide networks. This is, in part, due to the technical challenge of observing activity across large populations of neurons in normal and sedated brains. In this study, we examined the effects of the sedative dexmedetomidine, and its antagonist atipamezole, on spontaneous brain dynamics and auditory processing in zebrafish larvae. Our brain-wide, cellular-resolution calcium imaging reveals, for the first time, the brain regions involved in these network-scale dynamics and the individual neurons that are affected within those regions. Further analysis reveals a variety of dynamic changes in the brain at baseline, including marked reductions in spontaneous activity, correlation, and variance. The reductions in activity and variance represent a “quieter” brain state during sedation, an effect that causes highly correlated evoked activity in the auditory system to stand out more than it does in un-sedated brains. We also observe a reduction in auditory response latencies across the brain during sedation, suggesting that the removal of spontaneous activity leaves the core auditory pathway free of impingement from other non-auditory information. Finally, we describe a less dynamic brain-wide network during sedation, with a higher energy barrier and a lower probability of brain state transitions during sedation. In total, our brain-wide, cellular-resolution analysis shows that sedation leads to quieter, more stable, and less dynamic brain, and that against this background, responses across the auditory processing pathway become sharper and more prominent. Significance Statement Animals’ brain states constantly fluctuate in response to their environment and context, leading to changes in perception and behavioral choices. Alterations in perception, sensorimotor gating, and behavioral selection are hallmarks of numerous neuropsychiatric disorders, but the circuit- and network-level underpinnings of these alterations are poorly understood. Pharmacological sedation alters perception and responsiveness and provides a controlled and repeatable manipulation for studying brain states and their underlying circuitry. Here, we show that sedation of larval zebrafish with dexmedetomidine reduces brain-wide spontaneous activity and locomotion but leaves portions of brain-wide auditory processing and behavior intact. We describe and computationally model changes at the levels of individual neurons, local circuits, and brain-wide networks that lead to altered brain states and sensory processing during sedation.

While consciousness never fades during wakefulness, there is a paradoxical coexistence of consciousness during dreaming states. It is also possible for sensory awareness to be either present or absent when awakened from seemingly-identical states of sedation and anaesthesia. Traditionally, these states have been characterised by their electroencephalographic neural correlates, however, without clear underlying neurobiological mechanisms. To bridge this gap, we invert a validated neural mass model of the corticothalamic system using scalp EEG collected during nonlinear transitions in conscious experience and sensory awareness across varying depths of dexmedetomidine sedation. We found that a decline in conscious experience and sensory awareness with dexmedetomidine was associated with a decrease in the engagement of excitatory thalamocortical loop resonances, along with an increase in inhibitory intrathalamic loop gains. These findings shed light into the neural mechanisms of conscious experience and sensory awareness, and explain how it fades across arousal states, bridging the gap between the neural correlates of consciousness and its underlying systems-level thalamocortical mechanisms.

Even under spontaneous conditions and in the absence of changing environmental demands, awake animals alternate between moments of increased alertness and moments of torpor or disengagement. These changes in brain state can occur rapidly, on a timescale of seconds, and may be correlated with overt changes in exploratory behaviors (walking and whisking) or they may be more covert, with no external correlates except for changes in pupil size. Neuromodulators such as acetylcholine (ACh) are thought to play an important role in driving these spontaneous state transitions, and cholinergic activity in cortex has been monitored via calcium imaging of cholinergic axons and with new genetically-encoded fluorescent neuromodulator sensors. Here, we perform the first simultaneous imaging of sensors and axons in vivo, to examine the spatiotemporal properties of cortical acetylcholine (ACh) release during spontaneous changes in behavioral state. As has been previously reported, periods of locomotion were accompanied by large increases in ACh levels across the dorsal cortex, and pupil size tracked smaller, more rapid changes in ACh during periods of quiescence. We observed a high correlation between simultaneously-recorded basal forebrain axon activity and neuromodulator sensor fluorescence. Consistent with volume transmission of ACh, increases in axon activity resulted in increases in local ACh levels that fell off with the distance from the nearest axon. GRAB-ACh fluorescence could be accurately predicted from axonal activity alone, providing the first validation that neuromodulator axon activity is a reliable proxy for nearby neuromodulator levels. To more precisely understand the temporal kinetics of ACh, we applied a deconvolution approach to account for the kinetics of the ACh sensor. Deconvolution of fluorescence traces emphasized the rapid clearance of ACh, especially for smaller transients outside of running periods. Finally, we trained a predictive model of ACh fluctuations from the combination of pupil size and running speed; this model performed better than using either variable alone, and generalized well to unseen data. Overall, these results contribute to a growing understanding of the precise timing and spatial characteristics of cortical ACh during fast brain state transitions under spontaneous conditions.