Fear, Memory, and Place Contextual fear conditioning (CFC) is widely used as a hippocampal-dependent classical conditioning task to model human episodic memory. Lovett-Barron et al. (p. 857 ) combined in vivo imaging with pharmacology, pharmacogenetics, and optogenetics and they found that somatostatin-expressing, dendrite-targeting γ-aminobutyric acid–releasing interneurons in hippocampal area CA1 are required for CFC. During CFC, sensory features of the aversive event reach hippocampal output neurons through excitatory cortical afferents and require active inhibitory filtering to ensure that the hippocampus exclusively encodes the conditioned stimulus.

Summary

 Adult-born granule cells (abGCs) have been implicated in cognition and mood; however, it remains unknown how these cells behave in vivo. Here, we have used two-photon calcium imaging to monitor the activity of young abGCs in awake behaving mice. We find that young adult-born neurons fire at a higher rate in vivo but paradoxically exhibit less spatial tuning than their mature counterparts. When presented with different contexts, mature granule cells underwent robust remapping of their spatial representations, and the few spatially tuned adult-born cells remapped to a similar degree. We next used optogenetic silencing to confirm the direct involvement of abGCs in context encoding and discrimination, consistent with their proposed role in pattern separation. These results provide the first in vivo characterization of abGCs and reveal their participation in the encoding of novel information.

The collective behavior of animal groups emerges from the interactions among individuals. These social interactions produce the coordinated movements of bird flocks and fish schools, but little is known about their developmental emergence and neurobiological foundations. By characterizing the visually based schooling behavior of the micro glassfish Danionella cerebrum, we found that social development progresses sequentially, with animals first acquiring the ability to aggregate, followed by postural alignment with social partners. This social maturation was accompanied by the development of neural populations in the midbrain that were preferentially driven by visual stimuli that resemble the shape and movements of schooling fish. Furthermore, social isolation over the course of development impaired both schooling behavior and the neural encoding of social motion in adults. This work demonstrates that neural populations selective for the form and motion of conspecifics emerge with the experience-dependent development of collective movement.

Abstract Neurological and psychiatric disorders are associated with pathological neural dynamics. The fundamental connectivity patterns of cell-cell communication networks that enable pathological dynamics to emerge remain unknown. We studied epileptic circuits using a newly developed integrated computational pipeline applied to cellular resolution functional imaging data. Control and preseizure neural dynamics in larval zebrafish and in chronically epileptic mice were captured using large-scale cellular-resolution calcium imaging. Biologically constrained effective connectivity modeling extracted the underlying cell-cell communication network. Novel analysis of the higher-order network structure revealed the existence of ‘superhub’ cells that are unusually richly connected to the rest of the network through feedforward motifs. Instability in epileptic networks was causally linked to superhubs whose involvement in feedforward motifs critically enhanced downstream excitation. Disconnecting individual superhubs was significantly more effective in stabilizing epileptic networks compared to disconnecting hub cells defined traditionally by connection count. Collectively, these results predict a new, maximally selective and minimally invasive cellular target for seizure control. Highlights Higher-order connectivity patterns of large-scale neuronal communication networks were studied in zebrafish and mice Control and epileptic networks were modeled from in vivo cellular resolution calcium imaging data Rare ‘superhub’ cells unusually richly connected to the rest of the network through higher-order feedforward motifs were identified Disconnecting single superhub neurons more effectively stabilized epileptic networks than targeting conventional hub cells defined by high connection count. These data predict a maximally selective novel single cell target for minimally invasive seizure control

Many animals move in groups, where collective behavior emerges from the interactions amongst individuals. These social interactions produce the coordinated movements of bird flocks and fish schools, but little is known about their developmental emergence and neurobiological foundations. By characterizing the visually-based schooling behavior of the micro glassfish Danionella cerebrum, here we found that social development progresses sequentially, with animals first acquiring the ability to aggregate, followed by postural alignment with social partners. This social maturation was accompanied by the development of neural populations in the midbrain and forebrain that were preferentially driven by visual stimuli that resemble the shape and movements of schooling fish. The development of these neural circuits enables the social coordination required for collective movement.

A variety of organisms exhibit collective movement, including schooling fish and flocking birds, where coordinated behavior emerges from the interactions between group members. Despite the prevalence of collective movement in nature, little is known about the neural mechanisms producing each individual's behavior within the group. Here we discuss how a neurobiological approach can enrich our understanding of collective behavior by determining the mechanisms by which individuals interact. We provide examples of sensory systems for social communication during collective movement, highlight recent discoveries about neural systems for detecting the position and actions of social partners, and discuss opportunities for future research. Understanding the neurobiology of collective behavior can provide insight into how nervous systems function in a dynamic social world.

Animals survive environmental challenges by adapting their physiology and behavior through homeostatic regulatory processes, mediated in part by specific neuropeptide release from the hypothalamus. Animals can also avoid environmental stressors within seconds, a fast behavioral adaptation for which hypothalamic involvement is not established. Using brain-wide neural activity imaging in behaving zebrafish, here we find that hypothalamic neurons are rapidly engaged during common avoidance responses elicited by various environmental stressors. By developing methods to register cellular-resolution neural dynamics to multiplexed in situ gene expression, we find that each category of stressor recruits similar combinations of multiple peptidergic cell types in the hypothalamus. Anatomical analysis and functional manipulations demonstrate that these diverse cell types play shared roles in behavior, are glutamatergic, and converge upon spinal-projecting brainstem neurons required for avoidance. These data demonstrate that hypothalamic neural populations, classically associated with slow and specific homeostatic adaptations, also together give rise to fast and generalized avoidance behavior.