Exciting nerve cells deep inside the brain Current techniques to stimulate regions inside the brain need a permanently implanted wire or an optical fiber. Working in mice, Chen et al. developed a method to overcome this problem (see the Perspective by Temel and Jahanshahi). They introduced heat-sensitive capsaicin receptors into nerve cells and then injected magnetic nanoparticles into specific brain regions. The nanoparticles could be heated by external alternating magnetic fields, which activated the ion channel–expressing neurons. Thus, cellular signaling deep inside the brain can be controlled remotely without permanent implants. Science , this issue p. 1477 ; see also p. 1418

Controlled tissue fixation with polyepoxides protects protein fluorescence, antigenicity, nucleic acids and tissue architecture. Understanding complex biological systems requires the system-wide characterization of both molecular and cellular features. Existing methods for spatial mapping of biomolecules in intact tissues suffer from information loss caused by degradation and tissue damage. We report a tissue transformation strategy named stabilization under harsh conditions via intramolecular epoxide linkages to prevent degradation (SHIELD), which uses a flexible polyepoxide to form controlled intra- and intermolecular cross-link with biomolecules. SHIELD preserves protein fluorescence and antigenicity, transcripts and tissue architecture under a wide range of harsh conditions. We applied SHIELD to interrogate system-level wiring, synaptic architecture, and molecular features of virally labeled neurons and their targets in mouse at single-cell resolution. We also demonstrated rapid three-dimensional phenotyping of core needle biopsies and human brain cells. SHIELD enables rapid, multiscale, integrated molecular phenotyping of both animal and clinical tissues.

Optogenetic interrogation of neural pathways relies on delivery of light-sensitive opsins into tissue and subsequent optical illumination and electrical recording from the regions of interest. Despite the recent development of multifunctional neural probes, integration of these modalities in a single biocompatible platform remains a challenge. We developed a device composed of an optical waveguide, six electrodes and two microfluidic channels produced via fiber drawing. Our probes facilitated injections of viral vectors carrying opsin genes while providing collocated neural recording and optical stimulation. The miniature (<200 μm) footprint and modest weight (<0.5 g) of these probes allowed for multiple implantations into the mouse brain, which enabled opto-electrophysiological investigation of projections from the basolateral amygdala to the medial prefrontal cortex and ventral hippocampus during behavioral experiments. Fabricated solely from polymers and polymer composites, these flexible probes minimized tissue response to achieve chronic multimodal interrogation of brain circuits with high fidelity.

SUMMARY Both transcription and 3D organization of the mammalian genome play critical roles in neurodevelopment and its disorders. However, 3D genome structures of single brain cells have not been solved; little is known about the dynamics of single-cell transcriptome and 3D genome after birth. Here we generate a transcriptome atlas of 3,517 cells and a 3D genome atlas of 3,646 cells from the developing mouse cortex and hippocampus, using our high-resolution MALBAC-DT and Dip-C methods. In adults, 3D genome “structure types” delineate all major cell types, with high correlation between A/B compartments and gene expression. During development, both transcriptome and 3D genome are extensively transformed in the first postnatal month. In neurons, 3D genome is rewired across multiple scales, correlated with gene expression modules and independent of sensory experience. Finally, we examine allele-specific structure of imprinted genes, revealing local and chromosome-wide differences. These findings uncover a previously unknown dimension of neurodevelopment. HIGHLIGHTS Transcriptomes and 3D genome structures of single brain cells (both neurons and glia) in the developing mouse forebrain Cell type identity encoded in the 3D wiring of the mammalian genome (“structure types”) Major transformation of both transcriptome and 3D genome during the first month of life, independent of sensory experience Allele-specific 3D structure at 7 imprinted gene loci, including one that spans a whole chromosome

The cerebellum contains most of the neurons in the human brain, and exhibits unique modes of development, malformation, and aging. For example, granule cells-the most abundant neuron type-develop unusually late and exhibit unique nuclear morphology. Here, by developing our high-resolution single-cell 3D genome assay Dip-C into population-scale (Pop-C) and virus-enriched (vDip-C) modes, we were able to resolve the first 3D genome structures of single cerebellar cells, create life-spanning 3D genome atlases for both human and mouse, and jointly measure transcriptome and chromatin accessibility during development. We found that while the transcriptome and chromatin accessibility of human granule cells exhibit a characteristic maturation pattern within the first year of postnatal life, 3D genome architecture gradually remodels throughout life into a non-neuronal state with ultra-long-range intra-chromosomal contacts and specific inter-chromosomal contacts. This 3D genome remodeling is conserved in mice, and robust to heterozygous deletion of chromatin remodeling disease-associated genes (Chd8 or Arid1b). Together these results reveal unexpected and evolutionarily-conserved molecular processes underlying the unique development and aging of the mammalian cerebellum.

Animals survive environmental challenges by adapting their physiology and behavior through homeostatic regulatory processes, mediated in part by specific neuropeptide release from the hypothalamus. Animals can also avoid environmental stressors within seconds, a fast behavioral adaptation for which hypothalamic involvement is not established. Using brain-wide neural activity imaging in behaving zebrafish, here we find that hypothalamic neurons are rapidly engaged during common avoidance responses elicited by various environmental stressors. By developing methods to register cellular-resolution neural dynamics to multiplexed in situ gene expression, we find that each category of stressor recruits similar combinations of multiple peptidergic cell types in the hypothalamus. Anatomical analysis and functional manipulations demonstrate that these diverse cell types play shared roles in behavior, are glutamatergic, and converge upon spinal-projecting brainstem neurons required for avoidance. These data demonstrate that hypothalamic neural populations, classically associated with slow and specific homeostatic adaptations, also together give rise to fast and generalized avoidance behavior.