Abstract Mitochondrial dysfunction caused by aberrant Complex I assembly and reduced activity of the electron transport chain is pathogenic in many genetic and age-related diseases. Mice missing the Complex I subunit NADH dehydrogenase [ubiquinone] iron-sulfur protein 4 (NDUFS4) are a leading mammalian model of severe mitochondrial disease that exhibit many characteristic symptoms of Leigh Syndrome including oxidative stress, neuroinflammation, brain lesions, and premature death. NDUFS4 knockout mice have decreased expression of nearly every Complex I subunit. As Complex I normally contains at least 8 iron-sulfur clusters and more than 25 iron atoms, we asked whether a deficiency of Complex I may lead to intracellular iron perturbations thereby accelerating disease progression. Consistent with this, iron supplementation accelerates symptoms of brain degeneration in these mice while iron restriction delays the onset of these symptoms and increases survival. NDUFS4 knockout mice display signs of iron overload in the liver including increased expression of hepcidin, and show changes in iron responsive element-regulated proteins consistent with increased intracellular iron that were prevented by iron restriction. These results suggest that perturbed iron homeostasis may contribute to pathology in Leigh Syndrome and possibly other mitochondrial disorders.

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.

To understand the neural basis of behavior, it is essential to measure spiking dynamics across many interacting brain regions. While new technology, such as Neuropixels probes, facilitates multi-regional recordings, significant surgical and procedural hurdles remain for these experiments to achieve their full potential. Here, we describe a novel 3D-printed cranial implant for electrophysiological recordings from distributed areas of the mouse brain. The skull-shaped implant is designed with customizable insertion holes, allowing targeting of dozens of cortical and subcortical structures in single mice. We demonstrate the procedure9s high success rate, implant biocompatibility, lack of adverse effects on behavior training, compatibility with optical imaging and optogenetics, and repeated high-quality Neuropixels recordings over multiple days. To showcase the scientific utility of this new methodology, we use multi-probe recordings to reveal how alpha rhythms organize spiking activity across visual and sensorimotor networks. Overall, this methodology enables powerful large-scale electrophysiological measurements for the study of distributed computation in the mouse brain.