Vision, choice, action and behavioural engagement arise from neuronal activity that may be distributed across brain regions. Here we delineate the spatial distribution of neurons underlying these processes. We used Neuropixels probes1,2 to record from approximately 30,000 neurons in 42 brain regions of mice performing a visual discrimination task3. Neurons in nearly all regions responded non-specifically when the mouse initiated an action. By contrast, neurons encoding visual stimuli and upcoming choices occupied restricted regions in the neocortex, basal ganglia and midbrain. Choice signals were rare and emerged with indistinguishable timing across regions. Midbrain neurons were activated before contralateral choices and were suppressed before ipsilateral choices, whereas forebrain neurons could prefer either side. Brain-wide pre-stimulus activity predicted engagement in individual trials and in the overall task, with enhanced subcortical but suppressed neocortical activity during engagement. These results reveal organizing principles for the distribution of neurons encoding behaviourally relevant variables across the mouse brain. Recordings from 30,000 neurons in 42 brain regions are used to delineate the spatial distribution of neuronal activity underlying vision, choice, action and behavioural engagement in mice.

Behavior arises from neuronal activity, but it is not known how the active neurons are distributed across brain regions and how their activity unfolds in time. Here, we used high-density Neuropixels probes to record from ~30,000 neurons in mice performing a visual contrast discrimination task. The task activated 60% of the neurons, involving nearly all 42 recorded brain regions, well beyond the regions activated by passive visual stimulation. However, neurons selective for choice (left vs. right) were rare, and found mostly in midbrain, striatum, and frontal cortex. Those in midbrain were typically activated prior to contralateral choices and suppressed prior to ipsilateral choices, consistent with a competitive midbrain circuit for adjudicating the subject’s choice. A brain-wide state shift distinguished trials in which visual stimuli led to movement. These results reveal concurrent representations of movement and choice in neurons widely distributed across the brain.

Abstract Midbrain dopamine neurons play key roles in decision-making by regulating reward valuation and actions. These roles are thought to depend on dopamine neurons innervating striatum. In addition to actions and rewards, however, efficient decisions often involve consideration of uncertain sensory signals. The functions of striatal dopamine during sensory decisions remains unknown. We trained mice in a task that probed decisions based on sensory evidence and reward value, and recorded the activity of striatal dopamine axons. Dopamine axons in ventral striatum (VS) responded to bilateral stimuli and trial outcomes, encoding prediction errors that scaled with decision confidence and reward value. By contrast, dopamine axons in dorsal striatum (DS) responded to contralateral stimuli and contralateral actions. Thus, during sensory decisions, striatal dopamine signals are anatomically organized. VS dopamine resembles prediction errors suitable for reward maximization under sensory uncertainty whereas DS dopamine encodes specific combinations of stimuli and actions in a lateralized fashion.

Sensory decisions involve multiple cortical areas, but it is unclear to what extent these areas carry distinct signals and play causal roles. We trained head-fixed mice to discriminate visual contrast and report their decision by turning a wheel. Widefield calcium imaging and Neuropixels recordings revealed stimulus-related activity in visual (VIS) and secondary motor (MOs) areas, and widespread movement-related activity across the dorsal cortex. Optogenetic inactivation biased choices only when it was targeted at VIS and MOs, at times corresponding to peak stimulus decoding. A neurometric model based on summing and subtracting activity in VIS and MOs successfully described performance, and predicted the effect of optogenetic inactivation. Thus, sensory signals in VIS and MOs are causally necessary for task performance, while diffuse cortical signals encoding movement do not play a causal role in the animals’ choice.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Research in neuroscience relies increasingly on the mouse, a mammalian species that affords unparalleled genetic tractability and brain atlases. Here we introduce high-yield methods for probing mouse visual decisions. Mice are head-fixed, which facilitates repeatable visual stimulation, eye tracking, and brain access. They turn a steering wheel to make two-alternative choices, forced or unforced. Learning is rapid thanks to intuitive coupling of stimuli to wheel position. The mouse decisions deliver high-quality psychometric curves for detection and discrimination, and conform to the predictions of a simple probabilistic observer model. The task is readily paired with two-photon imaging of cortical activity. Optogenetic inactivation reveals that the task requires the visual cortex. Mice are motivated to perform the task by fluid reward or optogenetic stimulation of dopaminergic neurons. This stimulation elicits larger number of trials and faster learning. These methods provide a platform to accurately probe mouse vision and its neural basis.

Summary Depolarisation of distal axons is necessary for neurons to translate somatic action potentials into neurotransmitter release. Studies have shown that striatal cholinergic interneurons (ChIs) can directly drive ectopic action potentials in dopamine (DA) axons and trigger DA release. However, here we show that this action occurs within a broader context of axonal signal integration whereby activation of ChIs and depolarisation of DA axons by nicotinic receptors (nAChRs) limits the subsequent depolarisation and release of DA in response to ensuing activity. We demonstrate that activation of ChIs and nAChRs in ex vivo mouse striatum, even when it does not trigger DA release that is detectable by fast-scan cyclic voltammetry, limits DA release for ∼100 ms by depressing subsequent axonal depolarisation and calcium summation. This axonal brake on DA release is stronger in dorsal than ventral striatum, and is unrelated to DA depletion. In vivo , antagonism of nAChRs in dorsal striatum elevated extracellular DA levels and promoted conditioned place-preference, underscoring its physiological relevance. Our findings reveal that under physiological conditions in vivo, ChIs acting via nAChRs dynamically attenuate DA output driven by DA neuron activity, leading to a predominantly inverse relationship between ACh and DA signalling that varies continuously with ChI activity.