In the cerebral cortex, local circuits consist of tens of thousands of neurons, each of which makes thousands of synaptic connections. Perhaps the biggest impediment to understanding these networks is that we have no wiring diagrams of their interconnections. Even if we had a partial or complete wiring diagram, however, understanding the network would also require information about each neuron's function. Here we show that the relationship between structure and function can be studied in the cortex with a combination of in vivo physiology and network anatomy. We used two-photon calcium imaging to characterize a functional property—the preferred stimulus orientation—of a group of neurons in the mouse primary visual cortex. Large-scale electron microscopy of serial thin sections was then used to trace a portion of these neurons’ local network. Consistent with a prediction from recent physiological experiments, inhibitory interneurons received convergent anatomical input from nearby excitatory neurons with a broad range of preferred orientations, although weak biases could not be rejected. Connectivity forms the basis of functional computations performed by neural circuits, but it is notoriously difficult to follow the complex structural wiring between neurons to the function of individual cells. Now, using a combination of functional imaging and three-dimensional serial electron-microscopic reconstruction at an unprecedented scale, two groups present detailed representations of the connectivity of single cells in the mouse visual system. Davi Bock et al. in Clay Reid's lab investigate connectivity in the primary visual cortex, and find that inhibitory neurons receive input from excitatory cells with widely varying functions, consistent with predictions from recent physiological studies of the mouse cortex. Kevin Briggman, Moritz Helmstaedter and Winfried Denk show that direction-selective ganglion cells receive more synapses from a starburst amacrine cell dendrite if their preferred directions are opposites, suggesting that the directional sensitivity of retinal ganglion cells arises from the asymmetry in their wiring with amacrine cells. To date, various aspects of connectivity have been inferred from electron microscopy (EM) of synaptic contacts, light microscopy of axonal and dendritic arbors, and correlations in activity. However, until now it has not been possible to relate the complex structural wiring between neurons to the function of individual cells. Using a combination of functional imaging and three-dimensional serial EM reconstruction at unprecedented scale, two papers now describe the connectivity of single cells in the mouse visual system. This study investigates the connectivity of inhibitory interneurons in primary visual cortex.

Genomic studies have identified hundreds of candidate genes near loci associated with risk for schizophrenia. To define candidates and their functions, we mutated zebrafish orthologs of 132 human schizophrenia-associated genes. We created a phenotype atlas consisting of whole-brain activity maps, brain structural differences, and profiles of behavioral abnormalities. Phenotypes were diverse but specific, including altered forebrain development and decreased prepulse inhibition. Exploration of these datasets identified promising candidates in more than 10 gene-rich regions, including the magnesium transporter cnnm2 and the translational repressor gigyf2, and revealed shared anatomical sites of activity differences, including the pallium, hypothalamus, and tectum. Single-cell RNA sequencing uncovered an essential role for the understudied transcription factor znf536 in the development of forebrain neurons implicated in social behavior and stress. This phenotypic landscape of schizophrenia-associated genes prioritizes more than 30 candidates for further study and provides hypotheses to bridge the divide between genetic association and biological mechanism.

While human vision spans 220°, traditional functional MRI setups display images only up to central 10-15°. Thus, it remains unknown how the brain represents a scene perceived across the full visual field. Here, we introduce a method for ultra-wide angle display and probe signatures of immersive scene representation. An unobstructed view of 175° is achieved by bouncing the projected image off angled-mirrors onto a custom-built curved screen. To avoid perceptual distortion, scenes are created with wide field-of-view from custom virtual environments. We find that immersive scene representation drives medial cortex with far-peripheral preferences, but shows minimal modulation in classic scene regions. Further, scene and face-selective regions maintain their content preferences even with extreme far-periphery stimulation, highlighting that not all far-peripheral information is automatically integrated into scene regions computations. This work provides clarifying evidence on content vs. peripheral preferences in scene representation and opens new avenues to research immersive vision.

Abstract High-throughput behavioral phenotyping is critical to genetic or chemical screening approaches. Zebrafish larvae are amenable to high-throughput behavioral screening because of their rapid development, small size, and conserved vertebrate brain architecture. Existing commercial behavior phenotyping systems are expensive and not easily modified for new assays. Here, we describe a modular, highly adaptable, and low-cost behavior system. Along with detailed assembly and operation instructions, we provide data acquisition software and a robust, parallel analysis pipeline. We validate our approach by analyzing stimulus response profiles in larval zebrafish, confirming prepulse inhibition phenotypes of two previously isolated mutants, and highlighting best practices for growing larvae prior to behavioral testing. Our new design thus allows rapid construction and streamlined operation of many large-scale behavioral setups with minimal resources and fabrication expertise, with broad applications to other aquatic organisms.

Abstract Electron microscopy (EM) and fluorescence imaging are indispensable techniques that provide complementary information on cellular organization. Combining these two modalities is a long-standing challenge in bioimaging. In principle, it should be possible to use the electron beam both for ultrastructural imaging and for molecular localization. The latter could be accomplished by directly exciting suitable biomolecular labels and detecting their luminescence – a process termed cathodoluminescence (CL). Here, we achieve multicolor, single-particle CL imaging of sub-20-nm lanthanide nanocrystals (cathodophores) in the same field of view on the surface of a mammalian cell while simultaneously imaging cellular ultrastructure. In pursuit of this goal, we have developed a comprehensive framework for single-particle CL imaging of lanthanide nanocrystals. By mitigating nonlocal excitation due to secondary electrons, we achieved single-particle detection of multiple spectrally distinct types of sub-20-nm cathodophores. The smallest detectable cathodophores were ∼15 nm in diameter. We found that the CL emission rate of single nanocrystals increased monotonically with lanthanide doping level and scaled linearly with nanocrystal diameter. Furthermore, even in the absence of inert shells, cathodophores were not quenched in the context of mammalian cells processed for EM imaging using heavy-metal staining and sputter-coating. These findings establish cathodophores as promising biomolecular tags for multicolor EM. Moreover, our results inform general design rules for precise control and rational engineering of future generations of single-particle cathodoluminescent nanoprobes.

While humans experience the visual environment in a panoramic 220° view, traditional functional MRI setups are limited to display images like postcards in the central 10-15° of the visual field. Thus, it remains unknown how a scene is represented in the brain when perceived across the full visual field. Here, we developed a novel method for ultra-wide angle visual presentation and probed for signatures of immersive scene representation. To accomplish this, we bounced the projected image off angled-mirrors directly onto a custom-built curved screen, creating an unobstructed view of 175°. Scene images were created from custom-built virtual environments with a compatible wide field-of-view to avoid perceptual distortion. We found that immersive scene representation drives medial cortex with far-peripheral preferences, but surprisingly had little effect on classic scene regions. That is, scene regions showed relatively minimal modulation over dramatic changes of visual size. Further, we found that scene and face-selective regions maintain their content preferences even under conditions of central scotoma, when only the extreme far-peripheral visual field is stimulated. These results highlight that not all far-peripheral information is automatically integrated into the computations of scene regions, and that there are routes to high-level visual areas that do not require direct stimulation of the central visual field. Broadly, this work provides new clarifying evidence on content vs. peripheral preferences in scene representation, and opens new neuroimaging research avenues to understand immersive visual representation.

Genomic studies have identified hundreds of candidate genes near loci associated with risk for schizophrenia. To define candidates and their functions, we mutated zebrafish orthologues of 132 human schizophrenia-associated genes and created a phenotype atlas consisting of whole-brain activity maps, brain structural differences, and profiles of behavioral abnormalities. Phenotypes were diverse but specific, including altered forebrain development and decreased prepulse inhibition. Exploration of these datasets identified promising candidates in more than 10 gene-rich regions, including the magnesium transporter cnnm2 and the translational repressor gigyf2, and revealed shared anatomical sites of activity differences, including the pallium, hypothalamus or tectum. Single-cell RNA sequencing uncovered an essential role for the understudied transcription factor znf536 in the development of forebrain neurons implicated in social behavior and stress. This phenotypic landscape of schizophrenia-associated genes prioritizes more than 30 candidates for further study and provides hypotheses to bridge the divide between genetic association and biological mechanism.

The olfactory glomerulus is the anatomical and functional unit of the olfactory bulb, defined by convergent input from olfactory sensory neuron (OSN) axons expressing the same type of odorant receptor (OR). A key marker of mature olfactory sensory neurons (OSNs) is the olfactory marker protein (OMP), whose deletion has been associated with deficits in OSN signal transduction and odor discrimination. Here, we have investigated glomerular odor responses and anatomical architecture in mice in which one or both alleles of OMP were replaced by the fluorescent synaptic activity reporter, synaptopHluorin (OMP+/- and OMP-/- mice, respectively). Functionally heterogeneous glomeruli, that is, ones with micro-domains with distinct odor responses were rare in OMP+/- mice, but occurred frequently in OMP-/- mice. Genetic targeting of single ORs revealed that these micro-domains arise from anomalous co-innervation of individual glomeruli by OSNs expressing different ORs. The glomerular mistargeting of OSNs in the absence of OMP is restricted to a local neighborhood of a few glomerular diameters. Our studies document functional heterogeneity in sensory input within individual glomeruli and uncover its anatomical correlate, revealing an unexpected role for OMP in the formation and refinement of the glomerular olfactory map.

Within reflex circuits, specific anatomical projections allow central neurons to relay sensations to effectors that generate movements. A major challenge is to relate anatomical features of central neural populations -- such as asymmetric connectivity -- to the computations the populations perform. To address this problem, we mapped the anatomy, modeled the function, and discovered a new behavioral role for a genetically-defined population of central vestibular neurons in rhombomeres 5-7 of larval zebrafish. First, we found that neurons within this central population project preferentially to motoneurons that move the eyes downward. Concordantly, when the entire population of asymmetrically-projecting neurons was stimulated collectively, only downward eye rotations were observed, demonstrating a functional correlate of the anatomical bias. When these neurons are ablated, fish failed to rotate their eyes following either nose-up or nose-down body tilts. This asymmetrically-projecting central population thus participates in both up and downward gaze stabilization. In addition to projecting to motoneurons, central vestibular neurons also receive direct sensory input from peripheral afferents. To infer whether asymmetric projections can facilitate sensory encoding or motor output, we modeled differentially-projecting sets of central vestibular neurons. Whereas motor command strength was independent of projection allocation, asymmetric projections enabled more accurate representation of nose-up stimuli. The model shows how asymmetric connectivity could enhance the representation of imbalance during nose-up postures while preserving gaze-stabilization performance. Finally, we found that central vestibular neurons were necessary for a vital behavior requiring maintenance of a nose-up posture: swim bladder inflation. These observations suggest that asymmetric connectivity in the vestibular system facilitates representation of ethologically-relevant stimuli without compromising reflexive behavior.