Obtaining high-resolution information from a complex system, while maintaining the global perspective needed to understand system function, represents a key challenge in biology. Here we address this challenge with a method (termed CLARITY) for the transformation of intact tissue into a nanoporous hydrogel-hybridized form (crosslinked to a three-dimensional network of hydrophilic polymers) that is fully assembled but optically transparent and macromolecule-permeable. Using mouse brains, we show intact-tissue imaging of long-range projections, local circuit wiring, cellular relationships, subcellular structures, protein complexes, nucleic acids and neurotransmitters. CLARITY also enables intact-tissue in situ hybridization, immunohistochemistry with multiple rounds of staining and de-staining in non-sectioned tissue, and antibody labelling throughout the intact adult mouse brain. Finally, we show that CLARITY enables fine structural analysis of clinical samples, including non-sectioned human tissue from a neuropsychiatric-disease setting, establishing a path for the transmutation of human tissue into a stable, intact and accessible form suitable for probing structural and molecular underpinnings of physiological function and disease. High-resolution imaging has traditionally required thin sectioning, a process that disrupts long-range connectivity in the case of brains: here, intact mouse brains and human brain samples have been made fully transparent and macromolecule permeable using a new method termed CLARITY, which allows for intact-tissue imaging as well as repeated antibody labelling and in situ hybridization of non-sectioned tissue. High-resolution imaging of biological tissue has traditionally required sectioning, which for tissues like the brain means the loss of long-range connectivity. Now Karl Deisseroth and colleagues have developed a way of making full, intact organs optically transparent and macromolecule-permeable by building a hydrogel-based infrastructure from within the tissue that allows subsequent removal of light-scattering lipids, resulting in a transparent brain. The method, termed CLARITY, also allows repeated antibody labelling of proteins, and in situ hybridization of nucleic acids in non-sectioned tissue, such as full mouse brains or human clinical samples stored in formalin for many years.

The amygdala, a brain region important for learning fearful memories, is thought to have a role in generalized anxiety, but the subregions and connections involved in this response are unknown. Now, using optogenetic stimulation of basolateral amygdala terminals in the central nucleus of the amygdala of rats, a specific circuit for natural bidirectional anxiety control has been identified. Stimulating these neurons has a calming effect, whereas blocking the same projection increases anxiety-related behaviours. These findings are consistent with a role for the central nucleus of the amygdala in anxiety, although there may be other circuits working in parallel or downstream of the amygdala. The amygdala, a brain region important for learning fearful memories, is thought to have a role in generalized anxiety, but the critical subregions and connections are unknown. This paper shows that optogenetic stimulation of basolateral amygdala (BLA) terminals in the central nucleus of the amygdala of rats with channelrhodopsin has an anxiolytic effect, whereas inhibition of the same projection with eNpHR3.0 increases anxiety related behaviours. These effects were not observed with direct optogenetic control of BLA somata themselves, indicating that selective activation of certain connections can have different effects. Anxiety—a sustained state of heightened apprehension in the absence of immediate threat—becomes severely debilitating in disease states1. Anxiety disorders represent the most common of psychiatric diseases (28% lifetime prevalence)2 and contribute to the aetiology of major depression and substance abuse3,4. Although it has been proposed that the amygdala, a brain region important for emotional processing5,6,7,8, has a role in anxiety9,10,11,12,13, the neural mechanisms that control anxiety remain unclear. Here we explore the neural circuits underlying anxiety-related behaviours by using optogenetics with two-photon microscopy, anxiety assays in freely moving mice, and electrophysiology. With the capability of optogenetics14,15,16 to control not only cell types but also specific connections between cells, we observed that temporally precise optogenetic stimulation of basolateral amygdala (BLA) terminals in the central nucleus of the amygdala (CeA)—achieved by viral transduction of the BLA with a codon-optimized channelrhodopsin followed by restricted illumination in the downstream CeA—exerted an acute, reversible anxiolytic effect. Conversely, selective optogenetic inhibition of the same projection with a third-generation halorhodopsin15 (eNpHR3.0) increased anxiety-related behaviours. Importantly, these effects were not observed with direct optogenetic control of BLA somata, possibly owing to recruitment of antagonistic downstream structures. Together, these results implicate specific BLA–CeA projections as critical circuit elements for acute anxiety control in the mammalian brain, and demonstrate the importance of optogenetically targeting defined projections, beyond simply targeting cell types, in the study of circuit function relevant to neuropsychiatric disease.

Transcriptome mapping in the 3D brain RNA sequencing samples the entire transcriptome but lacks anatomical information. In situ hybridization, on the other hand, can only profile a small number of transcripts. In situ sequencing technologies address these shortcomings but face a challenge in dense, complex tissue environments. Wang et al. combined an efficient sequencing approach with hydrogel-tissue chemistry to develop a multidisciplinary technology for three-dimensional (3D) intact-tissue RNA sequencing (see the Perspective by Knöpfel). More than 1000 genes were simultaneously mapped in sections of mouse brain at single-cell resolution to define cell types and circuit states and to reveal cell organization principles. Science , this issue p. eaat5691 ; see also p. 328

Optogenetic technologies employ light to control biological processes within targeted cells in vivo with high temporal precision. Here, we show that application of molecular trafficking principles can expand the optogenetic repertoire along several long-sought dimensions. Subcellular and transcellular trafficking strategies now permit (1) optical regulation at the far-red/infrared border and extension of optogenetic control across the entire visible spectrum, (2) increased potency of optical inhibition without increased light power requirement (nanoampere-scale chloride-mediated photocurrents that maintain the light sensitivity and reversible, step-like kinetic stability of earlier tools), and (3) generalizable strategies for targeting cells based not only on genetic identity, but also on morphology and tissue topology, to allow versatile targeting when promoters are not known or in genetically intractable organisms. Together, these results illustrate use of cell-biological principles to enable expansion of the versatile fast optogenetic technologies suitable for intact-systems biology and behavior.

In this Analysis, the authors directly experimentally compare microbial opsins used for the control of neural activity. They extract essential principles and key parameters that can help end users with the design and interpretation of optogenetic experiments and guide tool developers in the characterization of future tools. Diverse optogenetic tools have allowed versatile control over neural activity. Many depolarizing and hyperpolarizing tools have now been developed in multiple laboratories and tested across different preparations, presenting opportunities but also making it difficult to draw direct comparisons. This challenge has been compounded by the dependence of performance on parameters such as vector, promoter, expression time, illumination, cell type and many other variables. As a result, it has become increasingly complicated for end users to select the optimal reagents for their experimental needs. For a rapidly growing field, critical figures of merit should be formalized both to establish a framework for further development and so that end users can readily understand how these standardized parameters translate into performance. Here we systematically compared microbial opsins under matched experimental conditions to extract essential principles and identify key parameters for the conduct, design and interpretation of experiments involving optogenetic techniques.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies are widely used to determine which brain regions are active during particular tasks or behaviours. There is much controversy over the source and interpretation of the BOLD (blood oxygenation level-dependent) signals that this imaging technique detects. Now, using fMRI in combination with optogenetics, a group of excitatory neurons in the rat brain has been identified as a source of the BOLD signals. Blood oxygenation level-dependent (BOLD) signals are the basis for much of the work on which regions of the human brain are active during particular tasks or behaviours, but there is controversy over their source and interpretation. Here a combination of optogenetics and BOLD signal monitoring shows that specific excitatory neurons within a mixed population are sufficient to produce positive BOLD signals, and could be used to map connections. Despite a rapidly-growing scientific and clinical brain imaging literature based on functional magnetic resonance imaging (fMRI) using blood oxygenation level-dependent (BOLD)1 signals, it remains controversial whether BOLD signals in a particular region can be caused by activation of local excitatory neurons2. This difficult question is central to the interpretation and utility of BOLD, with major significance for fMRI studies in basic research and clinical applications3. Using a novel integrated technology unifying optogenetic4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 control of inputs with high-field fMRI signal readouts, we show here that specific stimulation of local CaMKIIα-expressing excitatory neurons, either in the neocortex or thalamus, elicits positive BOLD signals at the stimulus location with classical kinetics. We also show that optogenetic fMRI (ofMRI) allows visualization of the causal effects of specific cell types defined not only by genetic identity and cell body location, but also by axonal projection target. Finally, we show that ofMRI within the living and intact mammalian brain reveals BOLD signals in downstream targets distant from the stimulus, indicating that this approach can be used to map the global effects of controlling a local cell population. In this respect, unlike both conventional fMRI studies based on correlations14 and fMRI with electrical stimulation that will also directly drive afferent and nearby axons, this ofMRI approach provides causal information about the global circuits recruited by defined local neuronal activity patterns. Together these findings provide an empirical foundation for the widely-used fMRI BOLD signal, and the features of ofMRI define a potent tool that may be suitable for functional circuit analysis as well as global phenotyping of dysfunctional circuitry.

Currently there is no general approach for achieving specific optogenetic control of genetically defined cell types in rats, which provide a powerful experimental system for numerous established neurophysiological and behavioral paradigms. To overcome this challenge we have generated genetically restricted recombinase-driver rat lines suitable for driving gene expression in specific cell types, expressing Cre recombinase under the control of large genomic regulatory regions (200-300 kb). Multiple tyrosine hydroxylase (Th)::Cre and choline acetyltransferase (Chat)::Cre lines were produced that exhibited specific opsin expression in targeted cell types. We additionally developed methods for utilizing optogenetic tools in freely moving rats and leveraged these technologies to clarify the causal relationship between dopamine (DA) neuron firing and positive reinforcement, observing that optical stimulation of DA neurons in the ventral tegmental area (VTA) of Th::Cre rats is sufficient to support vigorous intracranial self-stimulation (ICSS). These studies complement existing targeting approaches by extending the generalizability of optogenetics to traditionally non-genetically-tractable but vital animal models.

Brain circuit visualization and manipulation How are behaviorally relevant representations of the outside world initiated and manifested in the mammalian brain? Marshel et al. combined a channelrhodopsin with an improved holographic stimulation technique to examine activity in the mouse visual cortex, including its deep layers. Optogenetic stimulation of neurons previously activated by natural visual stimuli recreated the original activity and behavior. Neuronal population activity typically propagated from cortical layer 2/3 to layer 5 rather than in the reverse direction. Stimulation of a larger number of cells was required to initiate activity in layer 2/3 than in layer 5. This indicates differences in ensemble coding between the two layers. Science , this issue p. eaaw5202