Summary Patterned optogenetic activation of defined neuronal populations in the intact brain can reveal fundamental aspects of the neural codes of perception and behavior. The biophysical properties of existing optogenetic tools, however, constrain the scale, speed, and fidelity of precise optical control. Here we use structure-guided mutagenesis to engineer opsins that exhibit very high potency while retaining fast kinetics. These new opsins enable large-scale, temporally and spatially precise control of population neural activity in vivo and in vitro . We benchmark these new opsins against existing optogenetics tools with whole-cell electrophysiology and all-optical physiology and provide a detailed biophysical characterization of a diverse family of microbial opsins under two-photon illumination. This establishes a toolkit and a resource for matching the optimal opsin to the goals and constraints of patterned optogenetics experiments. Finally, by combining these new opsins with optimized procedures for cell-specific holographic photo-stimulation, we demonstrate the simultaneous co-activation of several hundred spatially defined neurons with a single hologram, and nearly double that number by temporally interleaving holograms at fast rates. These newly engineered opsins substantially extend the capabilities of patterned illumination optogenetic paradigms for addressing neural circuits and behavior.

Brain computation depends on intricately connected yet highly distributed neural networks. Due to the absence of the requisite technologies, causally testing fundamental hypotheses on the nature of inter-areal processing have remained largely out-of-each. Here we developed the first two photon holographic mesoscope, a system capable of simultaneously reading and writing neural activity patterns with single cell resolution across large regions of the brain. We demonstrate the precise photo-activation of spatial and temporal sequences of neurons in one brain area while reading out the downstream effect in several other regions. Investigators can use this new platform to understand feed-forward and feed-back processing in distributed neural circuits with single cell precision for the first time.

Circular RNAs (circRNAs) are a large class of noncoding RNAs. Despite the identification of thousands of circular transcripts, the biological significance of most of them remains unexplored, partly because of the lack of effective methods for generating loss-of-function animal models. In this study, we focused on circTulp4, an abundant circRNA derived from the Tulp4 gene that is enriched in the brain and synaptic compartments. By creating a circTulp4-deficient mouse model, in which we mutated the splice acceptor site responsible for generating circTulp4 without affecting the linear mRNA or protein levels, we were able to conduct a comprehensive phenotypic analysis. Our results demonstrate that circTulp4 is critical in regulating neuronal and brain physiology, modulating the strength of excitatory neurotransmission and sensitivity to aversive stimuli. This study provides evidence that circRNAs can regulate biologically relevant functions in neurons, with modulatory effects at multiple levels of the phenotype, establishing a proof of principle for the regulatory role of circRNAs in neural processes.

When sensory information is incomplete or ambiguous, the brain relies on prior expectations to infer perceptual objects. Despite the centrality of this process to perception, the neural mechanism of sensory inference is not known. Illusory contours (ICs) are key tools to study sensory inference because they contain edges or objects that are implied only by their spatial context. Using cellular resolution, mesoscale two-photon calcium imaging and multi-Neuropixels recordings in the mouse visual cortex, we identified a sparse subset of neurons in the primary visual cortex (V1) and higher visual areas that respond emergently to ICs. We found that these highly selective 'IC-encoders' mediate the neural representation of IC inference. Strikingly, selective activation of these neurons using two-photon holographic optogenetics was sufficient to recreate IC representation in the rest of the V1 network, in the absence of any visual stimulus. This outlines a model in which primary sensory cortex facilitates sensory inference by selectively strengthening input patterns that match prior expectations through local, recurrent circuitry. Our data thus suggest a clear computational purpose for recurrence in the generation of holistic percepts under sensory ambiguity. More generally, selective reinforcement of top-down predictions by pattern-completing recurrent circuits in lower sensory cortices may constitute a key step in sensory inference.

The dentate gyrus (DG) of the hippocampus plays a key role in memory formation and it is known to be modulated by septal projections. By performing electrophysiology and optogenetics we evaluated the role of cholinergic modulation in the processing of afferent inputs in the DG. We showed that mature granule cells (GCs), but not adult-born immature neurons, have increased responses to afferent perforant path stimuli upon cholinergic modulation. This is due to a highly precise reconfiguration of inhibitory circuits, differentially affecting Parvalbumin and Somatostatin interneurons, resulting in a nicotinic-dependent feedforward perisomatic disinhibition of GCs. This circuit reorganization provides a mechanism by which mature GCs could escape the strong inhibition they receive, creating a window of opportunity for plasticity. Indeed, coincident activation of perforant path inputs with optogenetic release of Ach produced a long-term potentiated response in GCs, which could be crucial for the formation of memories.

We present the first two-photon holographic mesoscope, a system allowing to selectively photostimulate ensembles of neurons with high spatiotemporal resolution while recording from thousands of neurons across several surrounding areas.