Systems-level identification and analysis of cellular circuits in the brain will require the development of whole-brain imaging with single-cell resolution. To this end, we performed comprehensive chemical screening to develop a whole-brain clearing and imaging method, termed CUBIC (clear, unobstructed brain imaging cocktails and computational analysis). CUBIC is a simple and efficient method involving the immersion of brain samples in chemical mixtures containing aminoalcohols, which enables rapid whole-brain imaging with single-photon excitation microscopy. CUBIC is applicable to multicolor imaging of fluorescent proteins or immunostained samples in adult brains and is scalable from a primate brain to subcellular structures. We also developed a whole-brain cell-nuclear counterstaining protocol and a computational image analysis pipeline that, together with CUBIC reagents, enable the visualization and quantification of neural activities induced by environmental stimulation. CUBIC enables time-course expression profiling of whole adult brains with single-cell resolution.

This protocol describes how to perform CUBIC (Clear, Unobstructed Brain/Body Imaging Cocktails and Computational analysis), a simple and efficient method for organ clearing, imaging by light-sheet microscopy, and quantitative imaging analysis. Here we describe a protocol for advanced CUBIC (Clear, Unobstructed Brain/Body Imaging Cocktails and Computational analysis). The CUBIC protocol enables simple and efficient organ clearing, rapid imaging by light-sheet microscopy and quantitative imaging analysis of multiple samples. The organ or body is cleared by immersion for 1–14 d, with the exact time required dependent on the sample type and the experimental purposes. A single imaging set can be completed in 30–60 min. Image processing and analysis can take <1 d, but it is dependent on the number of samples in the data set. The CUBIC clearing protocol can process multiple samples simultaneously. We previously used CUBIC to image whole-brain neural activities at single-cell resolution using Arc-dVenus transgenic (Tg) mice. CUBIC informatics calculated the Venus signal subtraction, comparing different brains at a whole-organ scale. These protocols provide a platform for organism-level systems biology by comprehensively detecting cells in a whole organ or body.

The development of whole-body imaging at single-cell resolution enables system-level approaches to studying cellular circuits in organisms. Previous clearing methods focused on homogenizing mismatched refractive indices of individual tissues, enabling reductions in opacity but falling short of achieving transparency. Here, we show that an aminoalcohol decolorizes blood by efficiently eluting the heme chromophore from hemoglobin. Direct transcardial perfusion of an aminoalcohol-containing cocktail that we previously termed CUBIC coupled with a 10 day to 2 week clearing protocol decolorized and rendered nearly transparent almost all organs of adult mice as well as the entire body of infant and adult mice. This CUBIC-perfusion protocol enables rapid whole-body and whole-organ imaging at single-cell resolution by using light-sheet fluorescent microscopy. The CUBIC protocol is also applicable to 3D pathology, anatomy, and immunohistochemistry of various organs. These results suggest that whole-body imaging of colorless tissues at high resolution will contribute to organism-level systems biology.

We describe a strategy for developing hydrophilic chemical cocktails for tissue delipidation, decoloring, refractive index (RI) matching, and decalcification, based on comprehensive chemical profiling. More than 1,600 chemicals were screened by a high-throughput evaluation system for each chemical process. The chemical profiling revealed important chemical factors: salt-free amine with high octanol/water partition-coefficient (logP) for delipidation, N-alkylimidazole for decoloring, aromatic amide for RI matching, and protonation of phosphate ion for decalcification. The strategic integration of optimal chemical cocktails provided a series of CUBIC (clear, unobstructed brain/body imaging cocktails and computational analysis) protocols, which efficiently clear mouse organs, mouse body including bone, and even large primate and human tissues. The updated CUBIC protocols are scalable and reproducible, and they enable three-dimensional imaging of the mammalian body and large primate and human tissues. This strategy represents a future paradigm for the rational design of hydrophilic clearing cocktails that can be used for large tissues.

Abstract Whole-organ/body three-dimensional (3D) staining and imaging have been enduring challenges in histology. By dissecting the complex physicochemical environment of the staining system, we developed a highly optimized 3D staining imaging pipeline based on CUBIC. Based on our precise characterization of biological tissues as an electrolyte gel, we experimentally evaluated broad 3D staining conditions by using an artificial tissue-mimicking material. The combination of optimized conditions allows a bottom-up design of a superior 3D staining protocol that can uniformly label whole adult mouse brains, an adult marmoset brain hemisphere, an ~1 cm 3 tissue block of a postmortem adult human cerebellum, and an entire infant marmoset body with dozens of antibodies and cell-impermeant nuclear stains. The whole-organ 3D images collected by light-sheet microscopy are used for computational analyses and whole-organ comparison analysis between species. This pipeline, named CUBIC-HistoVIsion, thus offers advanced opportunities for organ- and organism-scale histological analysis of multicellular systems.

Abstract Light-sheet microscopy has emerged as the preferred means for high-throughput volumetric imaging of cleared tissues. However, there is a need for a user-friendly system that can address imaging applications with varied requirements in terms of resolution (mesoscopic to sub-micrometer), sample geometry (size, shape, and number), and compatibility with tissue-clearing protocols and sample holders of various refractive indices. We present a ‘hybrid’ system that combines a novel non-orthogonal dual-objective and conventional (orthogonal) open-top light-sheet architecture for versatile multi-scale volumetric imaging.

ABSTRACT Recent advancements in tissue clearing technologies have offered unparalleled opportunities for researchers to explore the whole mouse brain at cellular resolution. With the expansion of this experimental technique, however, a scalable and easy-to-use computational tool is in demand to effectively analyze and integrate whole-brain mapping datasets. To that end, here we present CUBIC-Cloud, a cloud-based framework to quantify, visualize and integrate whole mouse brain data. CUBIC-Cloud is a fully automated system where users can upload their whole-brain data, run analysis and publish the results. We demonstrate the generality of CUBIC-Cloud by a variety of applications. First, we investigated brain-wide distribution of PV, Sst, ChAT, Th and Iba1 expressing cells. Second, Aβ plaque deposition in AD model mouse brains were quantified. Third, we reconstructed neuronal activity profile under LPS-induced inflammation by c-Fos immunostaining. Last, we show brain-wide connectivity mapping by pseudo-typed Rabies virus. Together, CUBIC-Cloud provides an integrative platform to advance scalable and collaborative whole-brain mapping.

Abstract Neurotransmitter receptors are essential components of synapses for communication between neurons in the brain. Because the spatiotemporal expression profiles and dynamics of neurotransmitter receptors involved in many functions are delicately governed in the brain, in vivo research tools with high spatiotemporal resolution for receptors in intact brains are highly desirable. Covalent chemical labelling of proteins without genetic manipulation is now a powerful method for analyzing receptors in vitro . However, selective target receptor labelling in the brain has not yet been achieved. This study shows that ligand-directed alkoxyacylimidazole (LDAI) chemistry can be used to selectively tether synthetic probes to target endogenous receptors in living mouse brains. The reactive LDAI reagents with negative charges were found to diffuse well over the whole brain and could selectively label target endogenous receptors, including AMPAR, NMDAR, mGlu1, and GABA A R. This simple and robust labelling protocol was then used for various applications: three-dimensional spatial mapping of endogenous receptors in the brains of healthy and disease-model mice; multi-colour receptor imaging; and pulse-chase analysis of the receptor dynamics in postnatal mouse brains. Here, results demonstrated that bioorthogonal receptor modification in living animal brains may provide innovative molecular tools that contribute to the in-depth understanding of complicated brain functions.

Abstract The homeostatic regulation of sleep is characterized by rebound sleep after prolonged wakefulness, but the molecular and cellular mechanisms underlying this regulation are still unknown. We show here that CaMKII-dependent activity control of parvalbumin (PV)-expressing cortical neurons is involved in sleep homeostasis regulation. Prolonged wakefulness enhances cortical PV-neuron activity. Chemogenetic suppression or activation of cortical PV neurons inhibits or induces rebound sleep, implying that rebound sleep is dependent on increased activity of cortical PV neurons. Furthermore, we discovered that CaMKII kinase activity boosts the activity of cortical PV neurons, and that kinase activity is important for homeostatic sleep rebound. We propose that CaMKII-dependent PV-neuron activity represents negative feedback inhibition of cortical neural excitability, which serves as the distributive cortical circuits for sleep homeostatic regulation.