Abstract Miniaturized microscopes for head-mounted fluorescence imaging are powerful tools for visualizing neural activity during naturalistic behaviors, but the restricted field of view of first-generation ‘miniscopes’ limits the size of neural populations accessible for imaging. Here we describe a novel miniaturized mesoscope offering cellular-resolution imaging over areas spanning several millimeters in freely moving mice. This system enables comprehensive visualization of activity across entire brain regions or interactions across areas.

The cerebral cortex is organized in cortical layers that differ in their cellular density, composition, and wiring. Cortical laminar architecture is also readily revealed by staining for cytochrome oxidase – the last enzyme in the respiratory electron transport chain located in the inner mitochondrial membrane. It has been hypothesized that a high-density band of cytochrome oxidase in cortical layer IV reflects higher oxygen consumption under baseline (unstimulated) conditions. Here, we tested the above hypothesis using direct measurements of the partial pressure of O 2 (pO 2 ) in cortical tissue by means of 2-photon phosphorescence lifetime microscopy (2PLM). We revisited our previously developed method for extraction of the cerebral metabolic rate of O 2 (CMRO 2 ) based on 2-photon pO 2 measurements around diving arterioles and applied this method to estimate baseline CMRO 2 in awake mice across cortical layers. To our surprise, our results revealed a decrease in baseline CMRO 2 from layer I to layer IV . This decrease of CMRO 2 with cortical depth was paralleled by an increase in tissue oxygenation. Higher baseline oxygenation and cytochrome density in layer IV may serve as an O 2 reserve during surges of neuronal activity or certain metabolically active brain states rather than baseline energy needs. Our study provides the first quantification of microscopically resolved CMRO 2 across cortical layers as a step towards informed interpretation and modeling of cortical-layer-specific Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) fMRI signals.

Abstract Extended depth of field (EDoF) microscopy has emerged as a powerful solution to greatly increase the access into neuronal populations in table-top imaging platforms. Here, we present EDoF-Miniscope, which integrates an optimized thin and lightweight binary diffractive optical element (DOE) onto the gradient refractive index (GRIN) lens of a head-mounted fluorescence miniature microscope, i.e. “miniscope”. We achieve an alignment accuracy of 70 μm to allow a 2.8X depth-of-field extension between the twin foci. We optimize the phase profile across the whole back aperture through a genetic algorithm that considers the primary GRIN lens aberrations, optical property of the submersion media, and axial intensity loss from tissue scattering in a Fourier optics forward model. Compared to other computational miniscopes, our EDoF-Miniscope produces high-contrast signals that can be recovered by a simple algorithm and can successfully capture volumetrically distributed neuronal signals without significantly compromising the speed, signal-to-noise, signal-to-background, and maintain a comparable 0.9-μm lateral spatial resolution and the size and weight of the miniature platform. We demonstrate the robustness of EDoF-Miniscope against scattering by characterizing its performance in 5-μm and 10-μm beads embedded in scattering phantoms. We demonstrate that EDoF-Miniscope facilitates deeper interrogations of neuronal populations in a 100-μm thick mouse brain sample, as well as vessels in a mouse brain. Built from off-the-shelf components augmented by a customizable DOE, we expect that this low-cost EDoF-Miniscope may find utility in a wide range of neural recording applications.

Abstract Functional neuroimaging, which measures hemodynamic responses to brain activity, has great potential for monitoring stroke patients. However, the neurophysiological interpretations of these hemodynamic signals remain a challenge as the stroke is likely to alter both neural activity and neurovascular coupling. To address this challenge, we simultaneously captured neural activity, through fluorescence calcium imaging, and hemodynamics, through intrinsic optical signal imaging, during longitudinal stroke recovery. We found that photothrombotic stroke to somatosensory forelimb region altered neurovascular coupling in the acute phase (2 days and 1 week post-stroke) within the affected forelimb and peri-infarct regions. Neurovascular coupling was reestablished in the chronic phase (4 weeks post-stroke), and acute recovery of neurovascular coupling predicted sensorimotor function. Stroke also resulted in increases in the power of global brain oscillations, which showed distinct patterns between calcium and hemodynamics. Increased calcium excitability in the contralesional hemisphere was associated with increased intrahemispheric connectivity. Additionally, acute increases in hemodynamic oscillations were associated with improved sensorimotor outcomes. Teaser Acute ischemic stroke leads to neurovascular uncoupling and the extent of early recoupling predicts sensorimotor recovery.

Abstract Cholinergic signaling is involved with a variety of brain functions including learning and memory, attention, and behavioral state modulation. The spatiotemporal characteristics of neocortical acetylcholine (ACh) release in response to sensory inputs are poorly understood, but a lack of intra-region topographic organization of cholinergic projections from the basal forebrain has suggested diffuse release patterns and volume transmission. Here, we use mesoscopic imaging of fluorescent ACh sensors to show that visual stimulation results in ACh release patterns that conform to a retinotopic map of visual space in the mouse primary visual cortex, suggesting new modes of functional cholinergic signaling in cortical circuits.x

Abstract Conventional light sheet fluorescence microscopy (LSFM), or selective plane illumination microscopy (SPIM), enables high resolution 3D imaging over a large volume by using two orthogonally aligned objective lenses to decouple excitation and emission. The recent development of oblique plane microscopy (OPM) simplifies LSFM design with only one single objective lens, by using off-axis excitation and remote focusing. However, most reports on OPM has a limited microscopic field of view (FOV), typically within 1×1 mm 2 . Our goal is to overcome the limitation with a new variant of OPM to achieve mesoscopic FOV. We implemented an optical design of mesoscopic scanning OPM to allow using low numerical aperture (NA) objective lens. The angle of the intermediate image before the remote focusing system was increased by a demagnification under Scheimpflug condition such that the light collecting efficiency in the remote focusing system was significantly improved. We characterized the 3D resolutions and FOV by imaging fluorescence microspheres, and demonstrated the volumetric imaging on intact whole zebrafish larvae, mouse cortex, and multiple Caenorhabditis elegans (C . elegans ). We demonstrate a mesoscopic FOV up to ~6× 5×0.6 mm 3 volumetric imaging, the largest reported FOV by OPM so far. The angle of the intermediate image plane is independent of the magnification. As a result, the system is highly versatile, allowing simple switching between different objective lenses with low (10x, NA 0.3) and median NA (20x, NA 0.5). Detailed microvasculature in zebrafish larvae, mouse cortex, and neurons in C. elegans are clearly visualized in 3D. The proposed mesoscopic scanning OPM allows using low NA objective such that centimeter-level FOV volumetric imaging can be achieved. With the extended FOV, simple sample mounting protocol, and the versatility of changeable FOVs/resolutions, our system will be ready for the varieties of applications requiring in vivo volumetric imaging over large length scales.

Widefield microscopy of the entire dorsal part of mouse cerebral cortex enables large-scale ("mesoscopic") imaging of different aspects of neuronal activity with spectrally compatible fluorescent indicators as well as hemodynamics via oxy- and deoxyhemoglobin absorption. Versatile and cost-effective imaging systems are needed for large-scale, color-multiplexed imaging of multiple fluorescent and intrinsic contrasts.

Ever since the introduction of thrombolysis and the subsequent expansion of endovascular treatments for acute ischemic stroke, it remains to be identified why the actual outcomes are less favorable despite recanalization. Here, by high spatio-temporal resolution imaging of capillary circulation in mice, we introduce the pathological phenomenon of dynamic flow stalls in cerebral capillaries, occurring persistently in the salvageable penumbra after recanalization. These stalls, which are distinct from permanent cellular plugs that can lead to no-flow, were temporarily and repetitively occurring in the capillary network, impairing the overall circulation like small focal traffic jams. In vivo microscopy in the ischemic penumbra revealed leukocytes traveling through capillary lumen or getting stuck, while red blood cell flow was being disturbed in the neighboring segments, within 3 hours after stroke onset. Stall dynamics could be modulated, by injection of an anti-Ly6G antibody specifically targeting neutrophils. By decreasing the number and duration of stalls, we were able to improve the blood flow in the penumbra within 2-24 hours after reperfusion, increase capillary oxygenation, decrease cellular damage and improve functional outcome. Thereby the dynamic microcirculatory stall phenomenon contributes to the ongoing penumbral injury and is a potential hyperacute stage mechanism adding on previous observations of detrimental effects of activated neutrophils in ischemic stroke.

A high-speed, contrast free, quantitative ultrasound velocimetry (vUS) for blood flow velocity imaging throughout the rodent brain is developed based on the normalized first order temporal autocorrelation function of the ultrasound field signal. vUS is able to quantify blood flow velocity in both transverse and axial directions, and is validated with numerical simulation, phantom experiments, and in vivo measurements. The functional imaging ability of vUS is demonstrated by monitoring blood flow velocity changes during whisker stimulation in awake mice. Compared to existing power Doppler and color Doppler-based functional ultrasound imaging techniques, vUS shows quantitative accuracy in estimating both axial and transverse flow speeds and resistance to acoustic attenuation and high frequency noise.

Widefield microscopy of the entire dorsal part of mouse cerebral cortex enables large-scale (mesoscopic) imaging of neuronal activity with fluorescent indicators as well as hemodynamics via oxy- and deoxyhemoglobin absorption. Versatile and cost-effective imaging systems are needed for large-scale, color-multiplexed imaging of multiple fluorescent and intrinsic contrasts.Develop a system for mesoscopic imaging of two fluorescent and two reflectance channels.Excitation of red and green fluorescence is achieved through epi-illumination. Hemoglobin absorption imaging is achieved using 525- and 625nm LEDs positioned around the objective lens. An aluminum hemisphere placed between objective and cranial window provides diffuse illumination of the brain. Signals are recorded sequentially by a single sCMOS detector.We demonstrate performance of our imaging system by recording large-scale spontaneous and stimulus-evoked neuronal, cholinergic, and hemodynamic activity in awake head-fixed mice with a curved crystal skull window expressing the red calcium indicator jRGECO1a and the green acetylcholine sensor GRABACh3.0 . Shielding of illumination light through the aluminum hemisphere enables concurrent recording of pupil diameter changes.Our widefield microscope design with single camera can be used to acquire multiple aspects of brain physiology and is compatible with behavioral readouts of pupil diameter.