Animals have a remarkable ability to adjust their behavioral response to the same stimulus based on the immediate behavioral context. The authors show that the nucleus basalis broadcasts a contextual signal to the auditory cortex that is then translated by inhibitory networks to regulate excitatory neuronal output and behavior. Physical features of sensory stimuli are fixed, but sensory perception is context dependent. The precise mechanisms that govern contextual modulation remain unknown. Here, we trained mice to switch between two contexts: passively listening to pure tones and performing a recognition task for the same stimuli. Two-photon imaging showed that many excitatory neurons in auditory cortex were suppressed during behavior, while some cells became more active. Whole-cell recordings showed that excitatory inputs were affected only modestly by context, but inhibition was more sensitive, with PV+, SOM+, and VIP+ interneurons balancing inhibition and disinhibition within the network. Cholinergic modulation was involved in context switching, with cholinergic axons increasing activity during behavior and directly depolarizing inhibitory cells. Network modeling captured these findings, but only when modulation coincidently drove all three interneuron subtypes, ruling out either inhibition or disinhibition alone as sole mechanism for active engagement. Parallel processing of cholinergic modulation by cortical interneurons therefore enables context-dependent behavior.

Abstract Neuronal responses during behavior are diverse, ranging from highly reliable ‘classical’ responses to irregular ‘non-classically responsive’ firing. While a continuum of response properties is observed across neural systems, little is known about the synaptic origins and contributions of diverse responses to network function, perception, and behavior. To capture the heterogeneous responses measured from auditory cortex of rodents performing a frequency recognition task, we use a novel task-performing spiking recurrent neural network incorporating spike-timing-dependent plasticity. Reliable and irregular units contribute differentially to task performance via output and recurrent connections, respectively. Excitatory plasticity shifts the response distribution while inhibition constrains its diversity. Together both improve task performance with full network engagement. The same local patterns of synaptic inputs predict spiking response properties of network units and auditory cortical neurons from in vivo whole-cell recordings during behavior. Thus, diverse neural responses contribute to network function and emerge from synaptic plasticity rules.

Abstract Cholinergic basal forebrain (CBF) signaling exhibits multiple timescales of activity with classic, slow signals related to brain and behavioral states and faster, phasic signals reflecting behavioral events, including movement and reinforcement. Recent evidence suggests that the CBF may also exhibit fast, sensory-evoked responses. It remains unknown, however, whether such sensory signals target the sensory cortex and how they relate to local functional topography. Moreover, the extent to which fast and slow CBF activity interact has been largely unexplored. Here, we used simultaneous two-channel, two-photon imaging of CBF axons and auditory cortical (AC) neurons to reveal that CBF axons project a robust, non-habituating, and stimulus-specific sensory signal to the AC. Individual axon segments exhibited heterogeneous but stable tuning to auditory stimuli allowing stimulus identity to be decoded from the population. However, CBF axons displayed no tonotopy and their frequency tuning was uncoupled from that of nearby cortical neurons. Chemogenetic suppression revealed the auditory thalamus as a principal source of auditory information to the CBF. Finally, slow fluctuations in cholinergic activity modulated the fast, sensory-evoked signals in the same axons, suggesting that a multiplexed combination of fast and slow signals is projected from the CBF to the AC. Taken together, our work demonstrates a novel, non-canonical function of the CBF as a parallel channel of state-dependent sensory signaling to the sensory cortex that provides repeated representations of a broad range of sound stimuli at all points on the tonotopic map.

A fundamental tenet of animal behavior is that decision-making involves multiple 'controllers.' Initially, behavior is goal-directed, driven by desired outcomes, shifting later to habitual control, where cues trigger actions independent of motivational state. Clark Hull's question from 1943 still resonates today: "Is this transition abrupt, or is it gradual and progressive?"1 Despite a century-long belief in gradual transitions, this question remains unanswered2,3 as current methods cannot disambiguate goal-directed versus habitual control in real-time. Here, we introduce a novel 'volitional engagement' approach, motivating animals by palatability rather than biological need. Offering less palatable water in the home cage4,5 reduced motivation to 'work' for plain water in an auditory discrimination task when compared to water-restricted animals. Using quantitative behavior and computational modeling6, we found that palatability-driven animals learned to discriminate as quickly as water-restricted animals but exhibited state-like fluctuations when responding to the reward-predicting cue-reflecting goal-directed behavior. These fluctuations spontaneously and abruptly ceased after thousands of trials, with animals now always responding to the reward-predicting cue. In line with habitual control, post-transition behavior displayed motor automaticity, decreased error sensitivity (assessed via pupillary responses), and insensitivity to outcome devaluation. Bilateral lesions of the habit-related dorsolateral striatum7 blocked transitions to habitual behavior. Thus, 'volitional engagement' reveals spontaneous and abrupt transitions from goal-directed to habitual behavior, suggesting the involvement of a higher-level process that arbitrates between the two.

Abstract Neuronal responses during behavior are diverse, ranging from highly reliable ‘classical’ responses to irregular or seemingly-random ‘non-classically responsive’ firing. While a continuum of response properties is frequently observed across neural systems, little is known about the synaptic origins and contributions of diverse response profiles to network function, perception, and behavior. Here we use a task-performing, spiking recurrent neural network model incorporating spike-timing-dependent plasticity that captures heterogeneous responses measured from auditory cortex of behaving rodents. Classically responsive and non-classically responsive model units contributed to task performance via output and recurrent connections, respectively. Excitatory and inhibitory plasticity independently shaped spiking responses and task performance. Local patterns of synaptic inputs predicted spiking response properties of network units as well as the responses of auditory cortical neurons from in vivo whole-cell recordings during behavior. Thus a diversity of neural response profiles emerges from synaptic plasticity rules with distinctly important functions for network performance.

Rapid learning confers significant advantages to animals in ecological environments. Despite the need for speed, animals appear to only slowly learn to associate rewarded actions with predictive cues. This slow learning is thought to be supported by a gradual expansion of predictive cue representation in the sensory cortex. However, evidence is growing that animals learn more rapidly than classical performance measures suggest, challenging the prevailing model of sensory cortical plasticity. Here, we investigated the relationship between learning and sensory cortical representations. We trained mice on an auditory go/no-go task that dissociated the rapid acquisition of task contingencies (learning) from its slower expression (performance). Optogenetic silencing demonstrated that the auditory cortex (AC) drives both rapid learning and slower performance gains but becomes dispensable at expert. Rather than enhancement or expansion of cue representations, two-photon calcium imaging of AC excitatory neurons throughout learning revealed two higher-order signals that were causal to learning and performance. First, a reward prediction (RP) signal emerged rapidly within tens of trials, was present after action-related errors only early in training, and faded at expert levels. Strikingly, silencing at the time of the RP signal impaired rapid learning, suggesting it serves an associative and teaching role. Second, a distinct cell ensemble encoded and controlled licking suppression that drove the slower performance improvements. These two ensembles were spatially clustered but uncoupled from underlying sensory representations, indicating a higher-order functional segregation within AC. Our results reveal that the sensory cortex manifests higher-order computations that separably drive rapid learning and slower performance improvements, reshaping our understanding of the fundamental role of the sensory cortex.

Rapid categorization of vocalizations enables adaptive behavior across species. While categorical perception is thought to arise in the neocortex, humans and other animals could benefit from functional organization of ethologically-relevant sounds at earlier stages in the auditory hierarchy. Here, we developed two-photon calcium imaging in the awake echolocating bat (Eptesicus fuscus) to study encoding of sound meaning in the Inferior Colliculus, which is as few as two synapses from the inner ear. Echolocating bats produce and interpret frequency sweep-based vocalizations for social communication and navigation. Auditory playback experiments demonstrated that individual neurons responded selectively to social or navigation calls, enabling robust population-level decoding across categories. Strikingly, category-selective neurons formed spatial clusters, independent of tonotopy within the IC. These findings support a revised view of categorical processing in which specified channels for ethologically-relevant sounds are spatially segregated early in the auditory hierarchy, enabling rapid subcortical organization of call meaning.

Performance on cognitive tasks during learning is used to measure intelligence, yet it remains controversial since such testing is susceptible to contextual factors. To what extent does performance during learning depend on the testing context, rather than underlying knowledge? We trained mice, rats and ferrets on a range of tasks to examine how testing context impacts the acquisition of knowledge versus its expression. We interleaved reinforced trials with 'probe' trials in which we omitted reinforcement. Across tasks, each animal species performed remarkably better in probe trials during learning and inter-animal variability was strikingly reduced. Reinforcement feedback is thus critical for learning-related plasticity but, paradoxically, masks the expression of underlying knowledge. We capture these results with a network model in which learning occurs during reinforced trials while context modulates only the read-out parameters. Probing learning by omitting reinforcement thus uncovers latent knowledge and identifies context, not 'smartness', as the major source of individual variability.