Abstract Sensory neurons reconstruct the world from action potentials (spikes) impinging on them. To effectively transfer information about the stimulus to the next processing level, a neuron needs to be able to adapt its working range to the properties of the stimulus. Here, we focus on the intrinsic neural properties that influence information transfer in cortical neurons and how tightly their properties need to be tuned to the stimulus statistics for them to be effective. We start by measuring the intrinsic information encoding properties of putative excitatory and inhibitory neurons in L2/3 of the mouse barrel cortex. Excitatory neurons show high thresholds and strong adaptation, making them fire sparsely and resulting in a strong compression of information, whereas inhibitory neurons that favour fast spiking transfer more information. Next, we turn to computational modelling and ask how two properties influence information transfer: 1) spike-frequency adaptation and 2) the shape of the IV-curve. We find that a subthreshold (but not threshold) adaptation, the ‘h-current’, and a properly tuned leak conductance can increase the information transfer of a neuron, whereas threshold adaptation can increase its working range. Finally, we verify the effect of the IV-curve slope in our experimental recordings and show that excitatory neurons form a more heterogeneous population than inhibitory neurons. These relationships between intrinsic neural features and neural coding that had not been quantified before will aid computational, theoretical and systems neuroscientists in understanding how neuronal populations can alter their coding properties, such as through the impact of neuromodulators. Why the variability of intrinsic properties of excitatory neurons is larger than that of inhibitory ones is an exciting question, for which future research is needed. Author summary Intracellular information transfer from synaptic input to output spike train is necessarily lossy. Here, we explicitly measure the mutual information between a neuron’s input and spike output and show that information transfer is more lossy and heterogeneous for excitatory than for inhibitory neurons. By using computational modelling we show that the shape of the input-output curve as well as how fast a neuron adapts to its input collectively determine the rate of information loss. These insights will help both experimentalists and modellers in designing and simulating experiments that investigate how network coding properties can adapt to the environment, for instance through the effects of neuromodulators.

Abstract Sensory driven activity during early life is critical for setting up the proper connectivity of the sensory cortices. Here we ask if social play behavior, a particular form of social interaction that is highly abundant during post-weaning development, is equally important for setting up connections in the developing prefrontal cortex (PFC). Young rats were deprived from social play with peers for 3 weeks during the period in life when social play behavior normally peaks (P21-42; SPD rats), followed by resocialization until adulthood. We recorded synaptic currents in L5 cells in slices from medial PFC of adult SPD and control rats and observed that inhibitory synaptic currents were reduced in SPD slices, while excitatory synaptic currents were unaffected. This was associated with a decrease in perisomatic inhibitory synapses from parvalbumin-positive GABAergic cells. In parallel experiments, adult SPD rats achieved more reversals in a probabilistic reversal learning task (PRL), which depends on the integrity of the PFC. They appeared to use a different cognitive strategy than controls. One hour of intense play during SPD did not prevent the decrease in inhibitory synaptic inputs and had only a limited effect on behavioral outcomes in the PRL. Our data demonstrate the importance of unrestricted social play for the development of inhibitory synapses in the PFC and cognitive skills in adulthood.

Abstract Social play behaviour is a rewarding activity that can entail risks, thus allowing young individuals to test the limits of their capacities and to train their cognitive and emotional adaptability to challenges. Here, we tested in rats how opportunities for risk-taking during play affect the development of cognitive and emotional capacities and medial prefrontal cortex (mPFC) function, a brain structure important for risk-based decision-making. Male and female rats were housed socially or social play-deprived (SPD) between postnatal day (P)21 and P42. During this period, half of both groups were daily exposed to a high-risk play environment. Around P85, all rats were tested for cognitive performance and emotional behaviour after which inhibitory currents were recorded in layer 5 pyramidal neurons in mPFC slices. We show that playing in a high-risk environment altered cognitive flexibility in both sexes, and improved behavioural inhibition in males. High-risk play altered anxiety-like behaviour in the elevated plus maze in males and in the open field in females, respectively. SPD affected cognitive flexibility in both sexes and decreased anxiety-like behaviour in the elevated plus maze in females. We found that synaptic inhibitory currents in the mPFC were increased in male, but not female, rats after high-risk play, while SPD lowered PFC synaptic inhibition in both sexes. Together, our data show that exposure to risks during play affects the development of cognition, emotional behaviour and inhibition in the mPFC. Furthermore, our study suggests that the opportunity to take risks during play cannot substitute for social play behaviour.

Magnetic neuromodulation has outstanding promise for the development of novel neural interfaces without direct physical intervention with the brain. Here we tested the utility of Magneto in the adult somatosensory cortex by performing whole-cell intracellular recordings in vitro and extracellular recordings in freely moving mice. Results show that magnetic stimulation does not alter subthreshold membrane excitability or contribute to the generation of action potentials in virally transduced neurons expressing Magneto.

Background: Neurons in the supragranular layers of the somatosensory cortex integrate sensory (bottom-up) and cognitive/perceptual (top-down) information as they orchestrate communication across cortical columns. It has been inferred, based on intracellular recordings from juvenile animals, that supragranular neurons are electrically mature by the fourth postnatal week. However, the dynamics of the neuronal integration in the adulthood is largely unknown. Electrophysiological characterization of the active properties of these neurons throughout adulthood will help to address the biophysical and computational principles of the neuronal integration. Findings: Here we provide a database of whole-cell intracellular recordings from 315 neurons located in the supragranular layers (L2/3) of the primary somatosensory cortex in adult mice (9-45 weeks old) from both sexes (females, N=195; males, N=120). Data include 361 somatic current-clamp (CC) and 476 voltage-clamp (VC) experiments, recorded using a step-and-hold protocol (CC, N=257; VC, N=46), frozen noise injections (CC, N=104) and triangular voltage sweeps (VC, 10 (N=132), 50 (N=146) and 100 ms (N=152)), from regular spiking (N=169) and fast-spiking neurons (N=66). Conclusions: The data can be used to systematically study the properties of somatic integration, and the principles of action potential generation across sexes and across electrically characterized neuronal classes in adulthood. Understanding the principles of the somatic transformation of postsynaptic potentials into action potentials will shed light onto the computational principles of intracellular information transfer in single neurons and information processing in neuronal networks, helping to recreate neuronal functions in artificial systems.

Abstract Experience-dependent organization of neuronal connectivity is critical for brain development. We recently demonstrated the importance of social play behavior for the developmental fine-tuning of inhibitory synapses in the medial prefrontal cortex (mPFC) in rats. When these effects of play experience exactly occur and if this happens uniformly throughout the prefrontal cortex is currently unclear. Here we report important temporal and regional heterogeneity in the impact of social play on the development of excitatory and inhibitory neurotransmission in the mPFC and the orbitofrontal cortex (OFC). We recorded in layer 5 pyramidal neurons from juvenile (postnatal day (P)21), adolescent (P42) and adult (P85) rats after social play deprivation (SPD; between P21-P42). The development of these PFC subregions followed different trajectories. On P21, inhibitory and excitatory synaptic input was multiple times higher in the OFC than in the mPFC. SPD did not affect excitatory currents, but reduced inhibitory transmission in both mPFC and OFC. Intriguingly, the reduction occurred in the mPFC during SPD, while the reduction in the OFC only became manifested after SPD. These data reveal a complex interaction between social play experience and the specific developmental trajectories of prefrontal subregions.