ABSTRACT Whether in music, language, baking, or memory, our experience of the world is fundamentally linked to time. However, it is unclear how temporal information is encoded, particularly in the range of milliseconds to seconds. Temporal processing at this scale is critical to prediction and survival, such as in a prey anticipating not only where a charging predator will go but also when the predator will arrive at that location. Several models of timing have been proposed that suggest that either time is encoded intrinsically in the dynamics of a network or that time is encoded by mechanisms that are explicitly dedicated to temporal processing. To determine how temporal information is encoded, we recorded neural activity in primary visual cortex (V1) as mice (male and female) performed a goal directed sensory discrimination task, in which patterns of subsecond stimuli differed only in their temporal profiles. We found that temporal information was encoded in the changing population vector of the network and that the space between these vectors was maximized in learned sessions. Our results suggest that temporal information in the subsecond range is encoded intrinsically and does not rely upon specialized timing mechanisms. SIGNIFICANCE STATEMENT Our experience of the world is fundamentally linked to time, but it is unclear how temporal information is encoded, particularly in the range of milliseconds to seconds. Using a sensory discrimination task in which patterns of subsecond stimuli differed in their temporal profiles, we found that primary visual cortex encodes temporal information via the changing population vector of the network. As temporal processing via population encoding has been shown to rely on inhibitory activity in computational models, our results may provide insight into temporal processing deficits in disorders such as autism spectrum disorder in which there is inhibitory-excitatory imbalance. Furthermore, our results may underlie processing of higher-order sensory stimuli, such as language, that are characterized by complex temporal sequences.

Fluorescence calcium imaging using a range of microscopy approaches, such as 2-photon excitation or head-mounted 'miniscopes', is one of the preferred methods to record neuronal activity and glial signals in various experimental settings, including acute brain slices, brain organoids, and behaving animals. Because changes in the fluorescence intensity of genetically encoded or chemical calcium indicators correlate with action potential firing in neurons, data analysis is based on inferring such spiking from changes in pixel intensity values across time within different regions of interest. However, the algorithms necessary to extract biologically relevant information from these fluorescent signals are complex and require significant expertise in programming to develop robust analysis pipelines. For decades, the only way to perform these analyses was for individual laboratories to write their own custom code. These routines were typically not well annotated and lacked intuitive graphical user interfaces (GUIs), which made it difficult for scientists in other laboratories to adopt them. Although the panorama is changing with recent tools like CaImAn, Suite2P and others, there is still a barrier for many laboratories to adopt these packages, especially for potential users without sophisticated programming skills. As 2-photon microscopes are becoming increasingly affordable, the bottleneck is no longer the hardware, but the software used to analyze the calcium data in an optimal manner and consistently across different groups. We addressed this unmet need by incorporating recent software solutions for motion correction, segmentation, signal extraction and deconvolution of calcium imaging data into an open-source, easy to use, GUI-based, intuitive and automated data analysis software, which we named EZcalcium.

Atypical sensory processing is a core characteristic in autism spectrum disorders that negatively impacts virtually all activities of daily living. Sensory symptoms are predictive of the subsequent appearance of impaired social behavior and other autistic traits. Thus, a better understanding of the changes in neural circuitry that disrupt perceptual learning in autism could shed light into the mechanistic basis and potential therapeutic avenues for a range of autistic symptoms. Likewise, the lack of directly comparable behavioral paradigms in both humans and animal models currently limits the translational potential of discoveries in the latter. We adopted a symptom-to-circuit approach to uncover the circuit-level alterations in the Fmr1-/- mouse model of Fragile X syndrome (FXS) that underlie atypical visual discrimination in this disorder. Using a go/no-go task and in vivo 2-photon calcium imaging in primary visual cortex (V1), we find that impaired discrimination in Fmr1-/- mice correlates with marked deficits in orientation tuning of principal neurons, and a decrease in the activity of parvalbumin (PV) interneurons in V1. Restoring visually evoked activity in PV cells in Fmr1-/- mice with a chemogenetic (DREADD) strategy was sufficient to rescue their behavioral performance. Finally, we found that human subjects with FXS exhibit strikingly similar impairments in visual discrimination as Fmr1-/- mice. We conclude that manipulating orientation tuning in autism could improve visually guided behaviors that are critical for playing sports, driving or judging emotions.

Abstract Discriminating between temporal features in sensory stimuli is critical to complex behavior and decision making. However, how sensory cortical circuit mechanisms contribute to discrimination between subsecond temporal components in sensory events is unclear. To elucidate the mechanistic underpinnings of timing in primary visual cortex (V1), we recorded from V1 using 2-photon calcium imaging in awake-behaving mice performing a go/no-go discrimination timing task, which was composed of patterns of subsecond audio-visual stimuli. In both conditions, activity during the early stimulus period was temporally coordinated with the preferred stimulus. However, while network activity increased in the preferred condition, network activity was increasingly suppressed in the nonpreferred condition over the stimulus period. Our results demonstrate that discrimination between subsecond intervals that are contained in rhythmic patterns can be accomplished by local networks and suggest the contribution of neural resonance as a mechanism.

Attention deficit is one of the most prominent and disabling symptoms in Fragile X Syndrome (FXS). Hypersensitivity to sensory stimuli contributes to attention difficulties by overwhelming and/or distracting affected individuals, which disrupts activities of daily living at home and learning at school. We find that auditory or visual distractors selectively impair visual discrimination performance in both humans and mice with FXS, but not their typically developing controls. Vasoactive intestinal polypeptide (VIP) neurons were significantly modulated by incorrect responses in the post-stimulus period during early distractor trials in WT mice, consistent with their known role as 'error' signals. Strikingly, however, VIP cells from Fmr1-/- mice showed little modulation in error trials, and this correlated with their poor performance on the distractor task. Thus, VIP interneurons and their reduced modulatory influence on pyramidal cells, could be a potential therapeutic target for attentional difficulties in FXS.