Top-down prefrontal cortex inputs to the hippocampus have been hypothesized to be important in memory consolidation, retrieval, and the pathophysiology of major psychiatric diseases; however, no such direct projections have been identified and functionally described. Here we report the discovery of a monosynaptic prefrontal cortex (predominantly anterior cingulate) to hippocampus (CA3 to CA1 region) projection in mice, and find that optogenetic manipulation of this projection (here termed AC-CA) is capable of eliciting contextual memory retrieval. To explore the network mechanisms of this process, we developed and applied tools to observe cellular-resolution neural activity in the hippocampus while stimulating AC-CA projections during memory retrieval in mice behaving in virtual-reality environments. Using this approach, we found that learning drives the emergence of a sparse class of neurons in CA2/CA3 that are highly correlated with the local network and that lead synchronous population activity events; these neurons are then preferentially recruited by the AC-CA projection during memory retrieval. These findings reveal a sparsely implemented memory retrieval mechanism in the hippocampus that operates via direct top-down prefrontal input, with implications for the patterning and storage of salient memory representations.

Prosocial behavior, in particular helping others in need, occurs preferentially in response to distress of one's own group members. In order to explore the neural mechanisms promoting mammalian helping behavior, a discovery-based approach was used here to identify brain-wide activity correlated with helping behavior in rats. Demonstrating social selectivity, rats helped others of their strain ('ingroup'), but not rats of an unfamiliar strain ('outgroup'), by releasing them from a restrainer. Analysis of brain-wide neural activity via quantification of the early-immediate gene c-Fos identified a shared network, including frontal and insular cortices, that was active in the helping test irrespective of group membership. In contrast, the striatum was selectively active for ingroup members, and activity in the nucleus accumbens, a central network hub, correlated with helping. In vivo calcium imaging showed accumbens activity when rats approached a trapped ingroup member, and retrograde tracing identified a subpopulation of accumbens-projecting cells that was correlated with helping. These findings demonstrate that motivation and reward networks are associated with helping an ingroup member and provide the first description of neural correlates of ingroup bias in rodents.

Abstract How have complex brains evolved from simple circuits? Here we investigated brain region evolution at cell type resolution in the cerebellar nuclei (CN), the output structures of the cerebellum. Using single-nucleus RNA sequencing in mice, chickens, and humans, as well as STARmap spatial transcriptomic analysis and whole-CNS projection tracing in mice, we identified a conserved cell type set containing two classes of region-specific excitatory neurons and three classes of region-invariant inhibitory neurons. This set constitutes an archetypal CN that was repeatedly duplicated to form new regions. Interestingly, the excitatory cell class that preferentially funnels information to lateral frontal cortices in mice becomes predominant in the massively expanded human Lateral CN. Our data provide the first characterization of CN transcriptomic cell types in three species and suggest a model of brain region evolution by duplication and divergence of entire cell type sets.

Abstract All-optical electrophysiology can be a powerful tool for studying neural dynamics in vivo , as it offers the ability to image and perturb membrane voltage in multiple cells simultaneously. The “Optopatch” constructs combine a red-shifted archaerhodopsin (Arch)-derived genetically encoded voltage indicator (GEVI) with a blue-shifted channelrhodopsin actuator (ChR). We used a video-based pooled screen to evolve Arch-derived GEVIs with improved signal-to-noise ratio (QuasAr6a) and kinetics (QuasAr6b). By combining optogenetic stimulation of individual cells with high-precision voltage imaging in neighboring cells, we mapped inhibitory and gap junction-mediated connections, in vivo . Optogenetic activation of a single NDNF-expressing neuron in visual cortex Layer 1 significantly suppressed the spike rate in some neighboring NDNF interneurons. Hippocampal PV cells showed near-synchronous spikes across multiple cells at a frequency significantly above what one would expect from independent spiking, suggesting that collective inhibitory spikes may play an important signaling role in vivo . By stimulating individual cells and recording from neighbors, we quantified gap junction coupling strengths. Together, these results demonstrate powerful new tools for all-optical microcircuit dissection in live mice.

Abstract The rich repertoire of skilled mammalian behavior is the product of neural circuits that generate robust and flexible patterns of activity distributed across populations of neurons. Decades of associative studies have linked many behaviors to specific patterns of population activity, but association alone cannot reveal the dynamical mechanisms that shape those patterns. Are local neural circuits high-dimensional dynamical reservoirs able to generate arbitrary superpositions of patterns with appropriate excitation? Or might circuit dynamics be shaped in response to behavioral context so as to generate only the low-dimensional patterns needed for the task at hand? Here, we address these questions within primate motor cortex by delivering optogenetic and electrical microstimulation perturbations during reaching behavior. We develop a novel analytic approach that relates measured activity to theoretically tractable, dynamical models of excitatory and inhibitory neurons. This computational model captures the dynamical effects of these perturbations and demonstrates that motor cortical activity during reaching is shaped by a self-contained, low-dimensional dynamical system. The subspace containing task-relevant dynamics proves to be oriented so as to be robust to strong non-normal amplification within cortical circuits. This task dynamics space exhibits a privileged causal relationship with behavior, in that stimulation in motor cortex perturb reach kinematics only to the extent that it alters neural states within this subspace. Our results resolve long-standing questions about the dynamical structure of cortical activity associated with movement, and illuminate the dynamical perturbation experiments needed to understand how neural circuits throughout the brain generate complex behavior.

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

Summary ChRmine 1 , a recently-discovered bacteriorhodopsin-like cation-conducting channelrhodopsin 1, 2 , exhibits puzzling properties (unusually-large photocurrents, exceptional red-shift in action spectrum, and extreme light-sensitivity) that have opened up new opportunities in optogenetics 1, 3–5 . ChRmine and its homologs function as light-gated ion channels, but by primary sequence more closely resemble ion pump rhodopsins; the molecular mechanisms for passive channel conduction in this family of proteins, as well as the unusual properties of ChRmine itself, have remained mysterious. Here we present the cryo-electron microscopy structure of ChRmine at 2.0 Å resolution. The structure reveals striking architectural features never seen before in channelrhodopsins including trimeric assembly, a short transmembrane-helix 3 unwound in the middle of the membrane, a prominently-twisting extracellular-loop 1, remarkably-large intracellular cavities and extracellular vestibule, and an unprecedented hydrophilic pore that extends through the center of the trimer, separate from the three individual monomer pores. Electrophysiological, spectroscopic, and computational analyses provide insight into conduction and gating of light-gated channels with these distinct design features, and point the way toward structure-guided creation of novel channelrhodopsins for optogenetic applications in biology.

Abstract Striatal dopamine released from the axons of midbrain dopamine neurons has been linked to a wide range of functions, including movement control and reward-based learning. Recent studies have reported functional signaling differences between axons and somas of dopamine neurons, suggesting that local modulation controls dopamine release and calling into question the classical view of somatic control. However, these experiments are technically challenging, making it difficult to ensure that axonal and somatic recordings come from the same neurons, particularly given the heterogeneity of dopaminergic cell types. Here we used genetic strategies to isolate key dopaminergic neuron subtypes and monitor their axonal and somatic signaling patterns in behaving mice. Contrary to the inferences drawn from previous studies, these experiments revealed a robust correlation between somatic and axonal signaling. Thus, by exploiting a previously unknown connection between genetic and functional diversity in dopamine neurons, we establish that subtypes must be considered to understand the mechanisms of dopamine release in striatum during behavior.

Abstract Calcium imaging has rapidly developed into a powerful tool for recording from large populations of neurons in vivo . Imaging in rhesus macaque motor cortex can enable the discovery of new principles of motor cortical function and can inform the design of next generation brain-computer interfaces (BCIs). Surface two-photon (2P) imaging, however, cannot presently access somatic calcium signals of neurons from all layers of macaque motor cortex due to photon scattering. Here, we demonstrate an implant and imaging system capable of chronic, motion-stabilized two-photon (2P) imaging of calcium signals from in macaques engaged in a motor task. By imaging apical dendrites, some of which originated from deep layer 5 neurons, as as well as superficial cell bodies, we achieved optical access to large populations of deep and superficial cortical neurons across dorsal premotor (PMd) and gyral primary motor (M1) cortices. Dendritic signals from individual neurons displayed tuning for different directions of arm movement, which was stable across many weeks. Combining several technical advances, we developed an optical BCI (oBCI) driven by these dendritic signals and successfully decoded movement direction online. By fusing 2P functional imaging with CLARITY volumetric imaging, we verify that an imaged dendrite, which contributed to oBCI decoding, originated from a putative Betz cell in motor cortical layer 5. This approach establishes new opportunities for studying motor control and designing BCIs.

Abstract Astrocytes play active roles at synapses and can monitor, respond, and adapt to local synaptic activity. To investigate this relationship, more tools that can selectively activate native G protein signaling pathways in astrocytes with both spatial and temporal precision are needed. Here, we tested AAV8-GFAP-Optoα1AR-eYFP (Optoα1AR), a viral vector to enable activation of G q signaling in astrocytes via light-sensitive α1-adrenergic receptors. To determine if stimulating astrocytic Optoα1AR modulates hippocampal synaptic transmission, recordings were made in CA1 pyramidal cells with surrounding astrocytes expressing Optoα1AR, channelrhodopsin (ChR2), or GFP. Both high-frequency (20 Hz, 45-ms light pulses, 5 mW, 5 min) and low-frequency (0.5 Hz, 1-s pulses at increasing 1, 5, and 10 mW intensities, 90 s per intensity) blue light stimulation were tested. 20 Hz Optoα1AR stimulation increased both inhibitory and excitatory postsynaptic current (IPSC and EPSC) frequency, and the mIPSC effect was largely reversible within 20 min. By contrast, low-frequency stimulation of Optoα1AR did not modulate either IPSCs or EPSCs, whereas the same stimulation of astrocytic ChR2 was effective. These data demonstrate that Optoα1AR activation in astrocytes changes synaptic excitation and inhibition in a stimulation-sensitive manner, demonstrating the efficacy and utility of GFAP-Optoα1AR as a tool in studying astrocyte-neuron interactions.