Abstract The noradrenergic locus coeruleus (LC) is a crucial controller of brain and behavioral states. Activating LC neurons synchronously en masse by electrical or optogenetic stimulation promotes a stereotypical “activated” high-frequency cortical state. However, it has been recently reported that spontaneous LC cell-pairs have sparse yet structured time-averaged cross-correlations, which is unlike the high synchrony of en masse neuronal stimulation. This suggests the untested possibility that LC population activity may be made of distinct multi-cell ensembles each with unique temporal evolution of activity. We used non-negative matrix factorization (NMF) to analyze large populations of LC single units simultaneously recorded in the rat LC. Synthetic spike train simulations showed that NMF, unlike the traditional time-averaged pairwise correlations, detects both the precise neuronal composition and the activation time courses of each ensemble. NMF identified the existence of robust ensembles of spontaneously co-active LC neurons. Since LC neurons selectively project to specific forebrain regions, we hypothesized that individual LC ensembles produce different cortical states. To test this hypothesis, we triggered local field potentials (LFP) in cortical area 24a on the activation of distinct LC ensembles. We found four cortical states, each with different spectro-temporal LFP characteristics, that were robust across sessions and animals. While some LC ensembles triggered the activated state, others were associated with a beta oscillation-specific state or a reduced high frequency oscillation state. Thus – in contrast to the stereotypical “activated” brain state evoked by en masse LC stimulation – spontaneous activation of distinct LC ensembles can control a multitude of cortical states.

Illusions are a powerful tool for studying the single neuron correlates of perception. Here, we introduce the neon color spreading (NCS) illusion in mice and report the neuronal correlates of illusory brightness, which has heretofore only been studied using human fMRI. We designed a novel NCS paradigm to evoke the percept of an illusory drifting grating and analyzed the activity of 520 single units in the mouse primary visual cortex (V1). A substantial proportion of V1 single units (60.5%) responded to illusory gratings with direction tuning matched to their preferred direction, which was determined using physically presented luminance-defined gratings (LDG). Moreover, by presenting LDG gratings with a 180° phase shift relative to NCs gratings, we show that spatial phase tuning shifted 180° for most single units. This finding conclusively demonstrates that V1 single units respond to illusory brightness. Using this novel mouse paradigm, we show that responses to illusory gratings have a lower magnitude and are delayed relative to physical gratings. We determined where V1 single units fell in the V1 cellular hierarchy (based on their susceptibility to surround suppression, their putative classification as interneuron or pyramidal neuron, and designation as a simple or complex cell) and found that higher-level V1 single units are more responsive to NCS stimuli. These findings resolve the debate of whether V1 is involved in illusory brightness processing and reveal a V1 hierarchical organization in which higher-level neurons are pivotal to the processing of illusory qualities, such as brightness.

Contemporary neuroscience and psychiatry suggest that attention to decision outcomes guides rule learning by adjusting stimulus-outcome associations. Separately, sensory neurophysiology conceptualizes attention as a ‘filter’ that improves perception. Here, we show that the contemporary view is incomplete by demonstrating an unconventional and novel effect of perceptual attention on subsequent outcome-based rule learning. Moreover, we show for the first time in rodents that, like in primates, this attentional process involves tuning of modality specific cortico-cortical interactions. We designed a novel head-fixed rat-on-a-treadmill apparatus and used it to train rats to discriminate auditory-visual stimuli using one modality and then reduced stimulus discriminability in that modality. We observed perceptual learning suggesting engagement of perceptual attention. Moreover, engaging visual perceptual attention resulted in more saccades and increased frontal-visual cortex EEG Granger causality relative to engaging auditory perceptual attention. We then presented novel and easily discriminable stimuli in both modalities and measured outcome-driven learning in the other modality. Learning was slower after engaging perceptual attention. Our work suggests that a more complete description of learning requires integrating these previously siloed concepts of attention. Moreover, treating impaired set-shifting as a trans-diagnostic symptom may require targeting different neural circuits for perceptual attention or outcome-based attention depending on which type of attention is impaired in each neuro-psychiatric disorder.

Abstract Coping with stress is critical to maintaining mental and physical health. Acute stress is associated with changes in neuronal activity across many brain regions and with the reorganization of cross– region correlations in neurovascular coupling. How neuronal activity itself is coordinated across regions during stress, and how neuronal networks are modified during coping, are unknown. We recorded in rats local field potentials (LFPs) simultaneously from five stress–responsive regions during stress and stress–coping behavior. We characterized network activity by computing cross– region coherence, Granger causality, and phase–amplitude coupling on bipolar derivatives of LFPs in the lateral habenula, basolateral amygdala, dorsal hippocampus, prelimbic cortex, and anterior cingulate cortex. First, we established a stress–coping model in rats. We showed that the behavioral response to acute 10–minute restraint stress returned to baseline after a second restraint 3 hours later. The pre–stress state was characterized by robust global network interactions in the theta (6– 9 Hz) and gamma (45–65 Hz) bands. Stress exposure led to nearly complete loss of connectivity. During coping, the robust connectivity reemerged, but in a new pattern compared to the pre–stress state. Finally, we found that baseline, stressed, and coping states can be predicted with high accuracy (> 90 %) from network activity. Overall, we showed that the acutely stressed brain state was primarily a state of network disconnection, while coping was a new network state rather than a return to baseline.

Abstract The mind affects the body via central nervous system (CNS) control of the autonomic nervous system (ANS). In humans, one striking illustration of the mind-body connection is that illusions, subjectively perceived as bright, drive constriction of the eye’s pupil by activating the sympathetic arm of the ANS. How the CNS is involved in this pupil response is unknown and requires an animal model for intracerebral investigation of potential regions, cell types, and neuronal projections. However, the physiological response to this illusion has long been thought to occur only in humans. Here, we report that the same brightness illusion that evokes pupil constriction in humans also does so in rats. Cortex-wide EEG recordings revealed that, compared to a luminance-matched control stimulus, the illusion (which appears subjectively brighter to humans) evoked a larger response only in primary visual cortex (V1). This cortical response preceded pupil constriction by ~335 msec suggesting a potential causal role for V1 on the pupil. Our results establish a new animal model of importance for studying how the CNS response involved in sensing a brightness illusion drives a physiological reaction in the body. We provide objective evidence that complex mind-body connections are not confined to humans and that V1 may be part of a shared, mammalian, neural network for bodily reactions to illusions.

Orchestrating learned Stimulus-Response (S-R) mappings has been suggested as one of the central functions of the prefrontal cortex (PFC). While S-R selective activity has been demonstrated, it remains unclear whether the strength of such activity is related to the vigor of the subsequent response. Here, we trained male rats to perform a Go/NoGo response task while head-fixed on a treadmill. This allowed us to record PFC (cingulate, area 24) single unit spiking, as well as running speed as a proxy for response vigor. We show that aberrant activation of the "wrong" S-R mapping is correlated with initiation of the incorrect response. The vigor of the incorrect response was directly related to the strength of the aberrant stimulus-evoked activity. A similar relationship was observed for pre-trial arousal state and response vigor. Our findings confirm the long-standing concept, established in psychology and cognitive neuroscience, that S-R mappings are directly related to response vigor. Moreover, we provide evidence for the often suggested but rarely tested relationship between arousal and response vigor and a potential underlying neuronal mechanism involving neuromodulation of S-R mapping activity.

Summary Intracortical microstimulation (ICMS) enables applications ranging from neuroprosthetics to causal circuit manipulations. However, the resolution, efficacy, and chronic stability of neuromodulation is often compromised by the adverse tissue responses to the indwelling electrodes. Here we engineer ultraflexible stim-Nanoelectronic Threads (StimNETs) and demonstrate low activation threshold, high resolution, and chronically stable ICMS in awake, behaving mouse models. In vivo two-photon imaging reveals that StimNETs remain seamlessly integrated with the nervous tissue throughout chronic stimulation periods and elicit stable, focal neuronal activation at low currents of 2 μA. Importantly, StimNETs evoke longitudinally stable behavioral responses for over eight months at markedly low charge injection of 0.25 nC/phase. Quantified histological analysis show that chronic ICMS by StimNETs induce no neuronal degeneration or glial scarring. These results suggest that tissue-integrated electrodes provide a path for robust, long-lasting, spatially-selective neuromodulation at low currents which lessen risks of tissue damage or exacerbation of off-target side-effects.

Abstract Water restriction is commonly used to motivate rodents to perform behavioral tasks; however, its on hydration and stress hormone levels are unknown. Here, we report daily body weight and bi-weekly packed red blood cell volume and corticosterone in adult male rats across 80 days for three commonly used water restriction schedules. We also assessed renal adaptation to water restriction using post-mortem histological evaluation of renal medulla. A control group received ad libitum water. After one week of water restriction, rats on all restriction schedules resumed similar levels of growth relative to the control group. Nominal hydration was observed, and water restriction did not drive renal adaptation. An intermittent restriction schedule was associated with an increase in corticosterone relative to the control group. Our results suggest that the water restriction schedules used here will maintain welfare in rats. However, intermittent restriction evokes a stress response which could affect behavioral and neurobiological results. Our results also suggest that stable motivation in behavioral tasks may only be achieved after one week of restriction.

Understanding the forebrain neuromodulation by the noradrenergic locus coeruleus (LC) is fundamental for cognitive and systems neuroscience. The diffuse projections of individual LC neurons and presumably their synchronous spiking have long been perceived as features of the global nature of noradrenergic neuromodulation. Yet, the commonly referenced "synchrony" underlying global neuromodulation, has never been assessed in a large population, nor has it been related to projection target specificity. Here, we recorded up to 52 single units simultaneously (3164 unit pairs in total) in rat LC and characterized projections by stimulating 15 forebrain sites. Spike count correlations were low and, surprisingly, only 13% of pairwise spike trains had synchronized spontaneous discharge. Notably, even noxious sensory stimulation did not activate the entire population, only evoking synchronized responses in ~16% of units on each trial. We also identified novel infra-slow (0.01-1 Hz) fluctuations of LC unit spiking that were asynchronous across the population. A minority, synchronized possibly by gap junctions, was biased toward restricted (non-global) forebrain projection patterns. Finally, we characterized two types of LC single units differing by waveform shape, propensity for synchronization, and interactions with cortex. These cell types formed finely-structured ensembles. Our findings suggest that the LC conveys a highly complex, differentiated, and potentially target-specific neuromodulatory signal.

Abstract The brainstem noradrenergic locus coeruleus (LC) is reciprocally connected with the prefrontal cortex (PFC). Strong coupling between LC spiking and depolarizing phase of slow (1 – 2 Hz) waves in the PFC field potentials during sleep and anesthesia suggests that the LC drives cortical state transition. Reciprocal LC-PFC connectivity should also allow interactions in the opposing (top-down) direction, but prior work has only studied prefrontal control over LC activity using direct electrical (or optogenetic) stimulation paradigms. Here, we describe the physiological characteristics of naturally occurring top-down prefrontal-coerulear interactions. Specifically, we recorded LC multi-unit activity (MUA) simultaneously with PFC single unit and local field potential (LFP) activity in urethane-anesthetized rats. We observed cross-regional coupling between the phase of ~5 Hz oscillations in LC population spike rate and the power of PFC LFP oscillations within the high Gamma (hGamma) range (60 – 200 Hz). Specifically, transient increases in PFC hGamma power preceded peaks in the ~5 Hz LC-MUA oscillation. Analysis of cross-regional transfer entropy demonstrated that the PFC hGamma transients were predictive of a transient increase in LC-MUA. A ~29 msec delay between these signals was consistent with the conduction velocity from the PFC to the LC. Finally, we showed that PFC hGamma transients are associated with synchronized spiking of a subset (27%) of PFC single units. Our data suggest that, PFC hGamma transients may indicate the timing of the top-down excitatory input to LC, at least under conditions when LC neuronal population activity fluctuates rhythmically at ~5 Hz. Synchronized PFC neuronal spiking that occurs during hGamma transients may provide a previously unknown mode of top-down control over the LC.