A similar neural ensemble participates in the encoding of two distinct memories, resulting in the recall of one memory increasing the likelihood of recalling the other, but only if those memories occur very closely in time—within a day rather than across a week. This paper tests and provides support for the emerging hypothesis that two distinct memories formed close in time may be linked, such that recall of one triggers recall of the other. Using a range of techniques including in vivo calcium imaging with miniature head-mounted fluorescent microscopes in freely behaving mice, Alcino Silva and colleagues show that learning-dependent changes in excitability can temporally and contextually link memories formed close in time. Interestingly the overlap between memory encoding ensembles and strengthening of the second memory within short periods of time do not occur in aged animals, which do not exhibit the increased hippocampal excitability necessary for such links to occur. Recent studies suggest that a shared neural ensemble may link distinct memories encoded close in time1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. According to the memory allocation hypothesis1,2, learning triggers a temporary increase in neuronal excitability13,14,15 that biases the representation of a subsequent memory to the neuronal ensemble encoding the first memory, such that recall of one memory increases the likelihood of recalling the other memory. Here we show in mice that the overlap between the hippocampal CA1 ensembles activated by two distinct contexts acquired within a day is higher than when they are separated by a week. Several findings indicate that this overlap of neuronal ensembles links two contextual memories. First, fear paired with one context is transferred to a neutral context when the two contexts are acquired within a day but not across a week. Second, the first memory strengthens the second memory within a day but not across a week. Older mice, known to have lower CA1 excitability15,16, do not show the overlap between ensembles, the transfer of fear between contexts, or the strengthening of the second memory. Finally, in aged mice, increasing cellular excitability and activating a common ensemble of CA1 neurons during two distinct context exposures rescued the deficit in linking memories. Taken together, these findings demonstrate that contextual memories encoded close in time are linked by directing storage into overlapping ensembles. Alteration of these processes by ageing could affect the temporal structure of memories, thus impairing efficient recall of related information.

Abstract Imaging large-population, single-cell fluorescent dynamics in freely behaving animals larger than mice remains a key endeavor of neuroscience. We present a large field of view open-source miniature microscope (MiniLFOV) designed for large-scale (3.6 × 2.7 mm), single cell resolution neural imaging in freely behaving rats. It has an electrically adjustable working distance of up to 3.5 mm±100 μm, incorporates an absolute head-orientation sensor, and weighs only 13.9 grams. The MiniLFOV is capable of both deep brain and cortical imaging and has been validated in freely behaving rats by simultaneously imaging >1000 GCaMP7s expressing neurons in the hippocampal CA1 layer and in head-fixed mice by simultaneously imaging ~2000 neurons in the dorsal cortex through a cranial window. The MiniLFOV also supports optional wire-free operation using a novel, wire-free data acquisition expansion board. We expect this new open-source implementation of the UCLA Miniscope platform will enable researchers to address novel hypotheses concerning brain function in freely behaving animals.

Abstract Observing the activity of large populations of neurons in vivo is critical for understanding brain function and dysfunction. The use of fluorescent genetically-encoded calcium indicators (GECIs) in conjunction with miniaturized microscopes is an exciting emerging toolset for recording neural activity in unrestrained animals. Despite their potential, current miniaturized microscope designs are limited by using image sensors with low frame rates, sensitivity, and resolution. Beyond GECIs, there are many neuroscience applications which would benefit from the use of other emerging neural indicators, such as fluorescent genetically-encoded voltage indicators (GEVIs) that have faster temporal resolution to match neuron spiking, yet, require imaging at high speeds to properly sample the activity-dependent signals. We integrated an advanced CMOS image sensor into a popular open-source miniaturized microscope platform. MiniFAST is a fast and sensitive miniaturized microscope capable of 1080p video, 1.5 µm resolution, frame rates up to 500 Hz and high gain ability (up to 70 dB) to image in extremely low light conditions. We report results of high speed 500 Hz in vitro imaging of a GEVI and ∼300 Hz in vivo imaging of transgenic Thy1-GCaMP6f mice. Finally, we show the potential for a reduction in photobleaching by using high gain imaging with ultra-low excitation light power (0.05 mW) at 60 Hz frame rates while still resolving Ca 2+ spiking activity. Our results extend miniaturized microscope capabilities in high-speed imaging, high sensitivity and increased resolution opening the door for the open-source community to use fast and dim neural indicators.

Abstract Miniature microscopes have gained considerable traction for in vivo calcium imaging in freely behaving animals. However, extracting calcium signals from raw videos is a computationally complex problem and remains a bottleneck for many researchers utilizing single-photon in vivo calcium imaging. Despite the existence of many powerful analysis packages designed to detect and extract calcium dynamics, most have either key parameters that are hard-coded or insufficient step-by-step guidance and validations to help the users choose the best parameters. This makes it difficult to know whether the output is reliable and meets the assumptions necessary for proper analysis. Moreover, large memory demand is often a constraint for setting up these pipelines since it limits the choice of hardware to specialized computers. Given these difficulties, there is a need for a low memory demand, user-friendly tool offering interactive visualizations of how altering parameters at each step of the analysis affects data output. Our open-source analysis pipeline, Minian (Miniscope Analysis), facilitates the transparency and accessibility of single-photon calcium imaging analysis, permitting users with little computational experience to extract the location of cells and their corresponding calcium traces and deconvolved neural activities. Minian contains interactive visualization tools for every step of the analysis, as well as detailed documentation and tips on parameter exploration. Furthermore, Minian has relatively small memory demands and can be run on a laptop, making it available to labs that do not have access to specialized computational hardware. Minian has been validated to reliably and robustly extract calcium events across different brain regions and from different cell types. In practice, Minian provides an open-source calcium imaging analysis pipeline with user-friendly interactive visualizations to explore parameters and validate results.

Impaired social interaction is one of the core deficits of autism spectrum disorder (ASD) and may result from social interactions being less rewarding. How the nucleus accumbens (NAc), as a key hub of reward circuitry, encodes social interaction and whether these representations are altered in ASD remain poorly understood. We identified NAc ensembles encoding social interactions by calcium imaging using miniaturized microscopy. NAc population activity, specifically D1 receptor-expressing medium spiny neurons (D1-MSNs) activity, predicted social interaction epochs. Despite a high turnover of NAc neurons modulated by social interaction, we found a stable population code for social interaction in NAc which was dramatically degraded in Cntnap2-/- mouse model of ASD. Surprisingly, non-specific optogenetic inhibition of NAc core neurons increased social interaction time and significantly improved sociability in Cntnap2-/- mice. Inhibition of D1- or D2-MSNs showed reciprocal effects, with D1 inhibition decreasing social interaction and D2 inhibition increasing interaction. Therefore, social interactions are preferentially, specifically and dynamically encoded by NAc neurons and social representations are degraded in this autism model.

Abstract Epifluorescence miniature microscopes (“miniscopes”) are widely used for in vivo calcium imaging of neural population activity. Imaging data is usually collected while subjects are engaged in a task and stored for later offline analysis, but emerging techniques for online imaging offer potential for novel real-time experiments in which closed-loop interventions (such as neurostimulation or sensory feedback) are triggered at short latencies in response to neural population activity. Here we introduce DeCalciOn , a plug-and-play hardware device for online population decoding of in vivo calcium signals that can trigger closed-loop feedback at millisecond latencies, and is compatible with miniscopes that use the UCLA Data Acquisition (DAQ) interface. In performance tests, the position of rats (n=13) on a linear track was decoded in real time from hippocampal CA1 population activity by 24 linear classifiers. DeCalciOn required <2.5 ms after each end-of-frame to decode up to 1,024 calcium traces and trigger TTL control outputs. Decoding was most efficient using a ‘contour-free’ method of extracting traces from ROIs that were unaligned with neurons in the image, but ‘contour-based’ extraction from neuronal ROIs is also supported. DeCalciOn is an easy-to-use system for real-time decoding of calcium fluorescence that enables closed-loop feedback experiments in behaving animals.

ABSTRACT Aversive stimuli can cause hippocampal place cells to remap their firing fields, but it is not known whether remapping plays a role in storing memories of aversive experiences. Here we addressed this question by performing in-vivo calcium imaging of CA1 place cells in freely behaving rats (n=14). Rats were first trained to prefer a short path over a long path for obtaining food reward, then trained to avoid the short path by delivering a mild footshock. Remapping was assessed by comparing place cell population vector similarity before acquisition versus after extinction of avoidance. Some rats received shock after systemic injections of the amnestic drug scopolamine at a dose (1 mg/kg) that impaired avoidance learning but spared spatial tuning and shock-evoked responses of CA1 neurons. Place cells remapped significantly more following remembered than forgotten shocks (drug-free versus scopolamine conditions); shock-induced remapping did not cause place fields to migrate toward or away from the shocked location and was similarly prevalent in cells that were responsive versus non-responsive to shocks. When rats were exposed to a neutral barrier rather than aversive shock, place cells remapped significantly less in response to the barrier. We conclude that place cell remapping occurs in response to events that are remembered rather than merely perceived and forgotten, suggesting that reorganization of hippocampal population codes may play a role in storing memories for aversive events.

Temporal lobe epilepsy causes significant cognitive deficits in both human patients and rodent models, yet the specific circuit mechanisms that alter cognitive processes remain unknown. There is dramatic and selective interneuron death and axonal reorganization within the hippocampus of both humans and animal models, but the functional consequences of these changes on information processing at the neuronal population level have not been well characterized. To examine spatial representations of epileptic and control mice, we developed a novel wire-free miniature microscope to allow for unconstrained behavior during in vivo calcium imaging of neuronal activity. We found that epileptic mice running on a linear track had severely impaired spatial processing in CA1 within a single session, as place cells were less precise and less stable, and population coding was impaired. Long-term stability of place cells was also compromised as place cells in epileptic mice were highly unstable across short time intervals and completely remapped across a week. Because of the large-scale reorganization of inhibitory circuits in epilepsy, we hypothesized that degraded spatial representations were caused by dysfunctional inhibition. To test this hypothesis, we examined the temporal dynamics of hippocampal interneurons using silicon probes to simultaneously record from CA1 and dentate gyrus during head-fixed virtual navigation. We found that epileptic mice had a profound reduction in theta coherence between the dentate gyrus and CA1 regions and altered interneuron synchronization. In particular, dentate interneurons of epileptic mice had altered phase preferences to ongoing theta oscillations, which decorrelated inhibitory population firing between CA1 and dentate gyrus. To assess the specific contribution of desynchronization on spatial coding, we built a CA1 network model to simulate hippocampal desynchronization. Critically, we found that desynchronized inputs reduced the information content and stability of CA1 neurons, consistent with the experimental data. Together, these results demonstrate that temporally precise intra-hippocampal communication is critical for forming the spatial code and that desynchronized firing of hippocampal neuronal populations contributes to poor spatial processing in epileptic mice.

Here we describe the development of the UCLA 2P Miniscope, an easily adopted, open-source miniature 2-photon microscope capable of recording calcium dynamics from neurons located in deep structures and in dendrites over a 445 µm x 380 µm field of view (FOV) during free behavior. The system weighs approximately 4g and utilizes two on-board silicon-based photon detectors for highly sensitive measurements. All hardware is designed for high performance and ease of assembly, while minimizing cost. To test the 2P miniature microscope, we recorded in three experimental conditions to highlight its capabilities during free behavior in mice. First, we recorded calcium dynamics from place cells in hippocampal area CA1. Next, we resolved calcium transients from dendrites in retrosplenial cortex during 30 minutes of free behavior. Last, we recorded dentate granule cell activity at a depth of over 620 µm, through an intact hippocampal CA1 during an open field behavior. The dentate granule cell recordings, to our knowledge, are the first optical recordings from these neurons ever performed in the intact hippocampus during free behavior. The miniature microscope itself and all supporting equipment are open-source and all files needed for building the scope can be accessed through the UCLA Golshani Lab GitHub repository.

Miniaturized fluorescence microscopes (miniscopes) enable imaging of calcium events from a large population of neurons with single-cell resolution in freely behaving animals. Traditionally, miniscopes have only been able to record from a single fluorescence wavelength. Here, we present a new open-source dual-channel Miniscope that simultaneously records two wavelengths in freely behaving animals, providing more flexibility and function. To enable simultaneous acquisition of two fluorescent wavelengths, we incorporated two CMOS sensors with two independent sets of emission filters into a single Miniscope. This enables us to acquire images at the full frame rate that the CMOS sensor supports while simultaneously eliminating crosstalk between channels, which allows imaging fluorophores that heavily overlap in their emission spectrums (for example, GFP and tdTomato). We adopted a design that enables adjusting the position of one imaging sensor along the light path to match the focal plane of the other sensor, providing additional flexibility for calibration. To validate our dual-channel Miniscope in vivo, we imaged hippocampal CA1 region that co-expressed a dynamic calcium indicator (GCaMP) and a static nuclear signal (constitutively active tdTomato) while mice ran on a linear track. We used GCaMP signals to investigate spatial coding in the hippocampus and tdTomato signals as a landmark for registration of neurons across recording sessions. Our results suggest that, even when neurons were registered across recording sessions using tdTomato signals, hippocampal spatial coding changes over time as previously reported. In conclusion, our novel dual-channel Miniscope enables imaging of two fluorescence wavelengths in the same focal plane with minimal crosstalk between the two channels, opening the doors to a multitude of new experimental possibilities.