Modern genetic approaches are powerful in providing access to diverse cell types in the brain and facilitating the study of their function. Here, we report a large set of driver and reporter transgenic mouse lines, including 23 new driver lines targeting a variety of cortical and subcortical cell populations and 26 new reporter lines expressing an array of molecular tools. In particular, we describe the TIGRE2.0 transgenic platform and introduce Cre-dependent reporter lines that enable optical physiology, optogenetics, and sparse labeling of genetically defined cell populations. TIGRE2.0 reporters broke the barrier in transgene expression level of single-copy targeted-insertion transgenesis in a wide range of neuronal types, along with additional advantage of a simplified breeding strategy compared to our first-generation TIGRE lines. These novel transgenic lines greatly expand the repertoire of high-precision genetic tools available to effectively identify, monitor, and manipulate distinct cell types in the mouse brain.

Abstract Neuronal spiking activity is routinely recorded using genetically encoded calcium indicators (GECIs), but calcium imaging is limited in temporal resolution and does not report subthreshold voltage changes. Genetically encoded voltage indicators (GEVIs) offer better temporal resolution and subthreshold sensitivity, but spike detection with fast GEVIs has required specialized imaging equipment. Here, we report the ASAP4 subfamily of genetically encoded voltage indicators (GEVIs) that brighten in response to membrane depolarization, inverting the fluorescence-voltage relationship of previous ASAP GEVIs. Two variants, ASAP4b and ASAP4e, feature 128% and 178% fluorescence increases over 100-mV of depolarization, respectively, facilitating spike detection in single trials in vivo with standard 1 and 2-photon imaging systems. Simultaneous voltage and calcium imaging confirms improved temporal resolution and spike discernment by ASAP4 GEVIs. Thus, positively tuned ASAP4 voltage indicators enable recording of neuronal spiking activity using similar equipment as calcium imaging, while providing higher temporal resolution. One Sentence Summary Upward ASAPs increase detection capability of GEVIs in vivo .

Abstract Detection of somatosensory inputs requires conversion of external stimuli into electrical signals by activation of primary sensory neurons. The mechanisms by which heterogeneous primary sensory neurons encode different somatosensory inputs remains unclear. In vivo dorsal root ganglia (DRG) imaging using genetically-encoded Ca 2+ indicators (GECIs) is currently the best technique for this purpose by providing an unprecedented spatial and populational resolution. It permits the simultaneous imaging of >1800 neurons/DRG in live mice. However, this approach is not ideal given that Ca 2+ is a second messenger and has inherently slow response kinetics. In contrast, genetically-encoded voltage indicators (GEVIs) have the potential to track voltage changes in multiple neurons in real time but often lack the brightness and dynamic range required for in vivo use. Here, we used soma-targeted ASAP4.4-Kv, a novel GEVI, to dissect the temporal dynamics of noxious and non-noxious neuronal signals during mechanical, thermal, or chemical stimulation in DRG of live mice. ASAP4.4-Kv is sufficiently bright and fast enough to optically characterize individual neuron coding dynamics. Notably, using ASAP4.4-Kv, we uncovered cell-to-cell electrical synchronization between adjacent DRG neurons and robust dynamic transformations in sensory coding following tissue injury. Finally, we found that a combination of GEVI and GECI imaging empowered in vivo optical studies of sensory signal processing and integration mechanisms with optimal spatiotemporal analysis. Highlights In vivo ultra fast and sensitive dynamic voltage imaging of peripheral primary sensory neurons by a newly generated genetically-encoded voltage indicator. Identification of mechanical, thermal, or chemical stimuli-evoked voltage signals with superior temporal resolution. Single-cell detection of changes in sub- and suprathreshold voltage dynamics across different disease conditions. Combination of voltage (by ASAP4.4-Kv) and Ca 2+ (by Pirt-GCaMP3) signals to facilitate the understanding of signal processing and integration of primary sensory neurons, especially for noxious versus non-noxious sensation.

Optimizing enzymes to function in novel chemical environments is a central goal of synthetic biology with broad applications. In this work, we develop a technique for designing active and diverse libraries of protein variants by blending evolutionary information and experimental data from an ultra-high-throughput functional screen using machine learning (ML). We validate our methodology in a multi-round campaign to optimize the activity of NucB, a nuclease enzyme with applications in the treatment of chronic wounds. We compare our ML-guided campaign to parallel campaigns of in-vitro directed evolution (DE) and in-silico hit recombination (HR). The ML-guided campaign discovered hundreds of highly-active variants with up to 19-fold nuclease activity improvement, outperforming the 12-fold improvement discovered by DE, and outperforming HR in both hit rate and diversity. We also show that models trained on evolutionary data alone, without access to any experimental data, can design functional variants at a significantly higher rate than a traditional approach to initial library generation. To drive future progress in ML-guided enzyme design, we curate a dataset of 55K diverse variants, one of the most extensive genotype-phenotype enzyme activity landscapes to date. Data and code is available at: https://github.com/google-deepmind/nuclease_design.

Abstract A ratiometric genetically encoded voltage indicator (GEVI) would be desirable for tracking transmembrane voltage changes in cells that are undergoing motion. To create a high-performance ratiometric GEVI, we explored the possibility of adding a voltage-independent red fluorophore to ASAP3, a high-gain green fluorescent GEVI. We performed combinatorial multi-site mutagenesis on the cyan-excitable red fluorescent protein mCyRFP1 to enhance brightness and monomericity, creating mCyRFP3. Among red fluorescent proteins tested, mCyRFP3 proved to be the least perturbing when fused to ASAP3. We demonstrate that the red fluorescence of ASAP3-mCyRFP3 (ASAP3-R3) provides an effective reference channel to remove motion artifacts from voltage-induced changes in green fluorescence. Finally we use ASAP3-R3 to visualize membrane voltage changes throughout the cell cycle of motile cells.

Imaging of transmembrane voltage deep in brain tissue with cellular resolution has the potential to reveal information processing by neuronal circuits in living animals with minimal perturbation. Multi-photon voltage imaging in vivo, however, is currently limited by speed and sensitivity of both indicators and imaging methods. Here, we report the engineering of an improved genetically encoded voltage indicator, ASAP3, which exhibits up to 51% fluorescence responses in the physiological voltage range, sub-millisecond activation kinetics, and full responsivity under two-photon illumination. We also introduce an ultrafast local volume excitation (ULOVE) two-photon scanning method to sample ASAP3 signals in awake mice at kilohertz rates with increased stability and sensitivity. ASAP3 and ULOVE allowed continuous single-trial tracking of spikes and subthreshold events for minutes in deep locations, with subcellular resolution, and with repeated sampling over multiple days. By imaging voltage in visual cortex neurons, we found evidence for cell type-dependent subthreshold modulation by locomotion. Thus, ASAP3 and ULOVE enable continuous high-speed high-resolution imaging of electrical activity in deeply located genetically defined neurons during awake behavior.

Modern genetic approaches are powerful in providing access to diverse types of neurons within the mammalian brain and greatly facilitating the study of their function. We here report a large set of driver and reporter transgenic mouse lines, including 23 new driver lines targeting a variety of cortical and subcortical cell populations and 26 new reporter lines expressing an array of molecular tools. In particular, we describe the TIGRE2.0 transgenic platform and introduce Cre-dependent reporter lines that enable optical physiology, optogenetics, and sparse labeling of genetically-defined cell populations. TIGRE2.0 reporters broke the barrier in transgene expression level of single-copy targeted-insertion transgenesis in a wide range of neuronal types, along with additional advantage of a simplified breeding strategy compared to our first-generation TIGRE lines. These novel transgenic lines greatly expand the repertoire of high-precision genetic tools available to effectively identify, monitor, and manipulate distinct cell types in the mouse brain.

Understanding information processing in the brain requires us to monitor neural activity in vivo at high spatiotemporal resolution. Using an ultrafast two-photon fluorescence microscope (2PFM) empowered by all-optical laser scanning, we imaged neural activity in vivo at up to 3,000 frames per second and submicron spatial resolution. This ultrafast imaging method enabled monitoring of both supra- and sub-threshold electrical activity down to 345 μm below the brain surface in head fixed awake mice.