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 .

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.