The neural underpinnings of sleep involve interactions between sleep-promoting areas such as the anterior hypothalamus, and arousal systems located in the posterior hypothalamus, the basal forebrain and the brainstem. Hypocretin (Hcrt, also known as orexin)-producing neurons in the lateral hypothalamus are important for arousal stability, and loss of Hcrt function has been linked to narcolepsy. However, it is unknown whether electrical activity arising from Hcrt neurons is sufficient to drive awakening from sleep states or is simply correlated with it. Here we directly probed the impact of Hcrt neuron activity on sleep state transitions with in vivo neural photostimulation, genetically targeting channelrhodopsin-2 to Hcrt cells and using an optical fibre to deliver light deep in the brain, directly into the lateral hypothalamus, of freely moving mice. We found that direct, selective, optogenetic photostimulation of Hcrt neurons increased the probability of transition to wakefulness from either slow wave sleep or rapid eye movement sleep. Notably, photostimulation using 5-30 Hz light pulse trains reduced latency to wakefulness, whereas 1 Hz trains did not. This study establishes a causal relationship between frequency-dependent activity of a genetically defined neural cell type and a specific mammalian behaviour central to clinical conditions and neurobehavioural physiology.

Rewarding Bursts of Dopamine Dopaminergic neurons are thought to be involved in the cognitive and hedonic underpinnings of motivated behaviors. However, it is still unclear whether dopaminergic neuron activation is sufficient to elicit reward-related behavior and which type of neuronal activity pattern serves this purpose. Tsai et al. (p. 1080; published online 23 April) directly compared tonic versus phasic firing of dopaminergic cells in the ventral tegmental area, and the effects on both behavior and dopamine release. Using a transgenic system and virus injection in mice, they targeted the dopaminergic cells with rhodopsin. Light stimulation was then used to drive dopaminergic cells either with a tonic low level of pulses or bursts of high-frequency pulses, with the number of pulses being equal across conditions. Only the high-frequency phasic firing induced a conditioned place preference and dopamine release.

Neural activity in the noradrenergic locus coeruleus correlates with periods of wakefulness and arousal. However, it is unclear whether tonic or phasic activity in these neurons is necessary or sufficient to induce transitions between behavioral states and to promote long-term arousal. Using optogenetic tools in mice, we found that there is a frequency-dependent, causal relationship among locus coeruleus firing, cortical activity, sleep-to-wake transitions and general locomotor arousal. We also found that sustained, high-frequency stimulation of the locus coeruleus at frequencies of 5 Hz and above caused reversible behavioral arrests. These results suggest that the locus coeruleus is finely tuned to regulate organismal arousal and that bursts of noradrenergic overexcitation cause behavioral attacks that resemble those seen in people with neuropsychiatric disorders.

Elucidation of the neural substrates underlying complex animal behaviors depends on precise activity control tools, as well as compatible readout methods. Recent developments in optogenetics have addressed this need, opening up new possibilities for systems neuroscience. Interrogation of even deep neural circuits can be conducted by directly probing the necessity and sufficiency of defined circuit elements with millisecond-scale, cell type-specific optical perturbations, coupled with suitable readouts such as electrophysiology, optical circuit dynamics measures and freely moving behavior in mammals. Here we collect in detail our strategies for delivering microbial opsin genes to deep mammalian brain structures in vivo, along with protocols for integrating the resulting optical control with compatible readouts (electrophysiological, optical and behavioral). The procedures described here, from initial virus preparation to systems-level functional readout, can be completed within 4–5 weeks. Together, these methods may help in providing circuit-level insight into the dynamics underlying complex mammalian behaviors in health and disease.

Let sleeping mice remember The role of REM (rapid eye movement) sleep for memory consolidation has been discussed for a long time. Boyce et al. used optogenetics to inhibit theta oscillations in the mouse hippocampus during REM sleep (see the Perspective by Kocsis). Both object recognition memory and contextual fear memory were impaired. This consolidation mechanism occurred in a critical time window immediately after training. Disrupting the same system for similar durations during non-REM sleep or wakefulness had no effect on memory. Science , this issue p. 812 ; see also p. 770

Rapid-eye movement (REM) sleep correlates with neuronal activity in the brainstem, basal forebrain and lateral hypothalamus. Lateral hypothalamus melanin-concentrating hormone (MCH)-expressing neurons are active during sleep, but their effects on REM sleep remain unclear. Using optogenetic tools in newly generated Tg(Pmch-cre) mice, we found that acute activation of MCH neurons (ChETA, SSFO) at the onset of REM sleep extended the duration of REM, but not non-REM, sleep episodes. In contrast, their acute silencing (eNpHR3.0, archaerhodopsin) reduced the frequency and amplitude of hippocampal theta rhythm without affecting REM sleep duration. In vitro activation of MCH neuron terminals induced GABAA-mediated inhibitory postsynaptic currents in wake-promoting histaminergic neurons of the tuberomammillary nucleus (TMN), and in vivo activation of MCH neuron terminals in TMN or medial septum also prolonged REM sleep episodes. Collectively, these results suggest that activation of MCH neurons maintains REM sleep, possibly through inhibition of arousal circuits in the mammalian brain.

Phasic activation of dopaminergic neurons is associated with reward-predicting cues and supports learning during behavioral adaptation. While noncontingent activation of dopaminergic neurons in the ventral tegmental are (VTA) is sufficient for passive behavioral conditioning, it remains unknown whether the phasic dopaminergic signal is truly reinforcing. In this study, we first targeted the expression of channelrhodopsin-2 to dopaminergic neurons of the VTA and optimized optogenetically evoked dopamine transients. Second, we showed that phasic activation of dopaminergic neurons in freely moving mice causally enhances positive reinforcing actions in a food-seeking operant task. Interestingly, such effect was not found in the absence of food reward. We further found that phasic activation of dopaminergic neurons is sufficient to reactivate previously extinguished food-seeking behavior in the absence of external cues. This was also confirmed using a single-session reversal paradigm. Collectively, these data suggest that activation of dopaminergic neurons facilitates the development of positive reinforcement during reward-seeking and behavioral flexibility.

Abstract During rest, intrinsic neural dynamics manifest at multiple timescales, which progressively increase along visual and somatosensory hierarchies. Theoretically, intrinsic timescales are thought to facilitate processing of external stimuli at multiple stages. However, direct links between timescales at rest and sensory processing, as well as translation to the auditory system are lacking. Here, we used intracranial electroencephalography in humans to show that in the auditory network, intrinsic neural timescales progressively increase, while the spectral slope flattens, from temporal to entorhinal cortex, hippocampus, and amygdala. Within the neocortex, intrinsic timescales exhibit spatial gradients that follow the temporal lobe anatomy. Crucially, intrinsic timescales at rest can explain the latency of auditory responses: as intrinsic timescales increase, so do the single-electrode response onset and peak latencies. Our results suggest that the human auditory network exhibits a repertoire of intrinsic neural dynamics, which manifest in cortical gradients with millimeter resolution and may provide a variety of temporal windows to support auditory processing.

ABSTRACT The lateral hypothalamus (LH), together with multiple neuromodulatory systems of the brain, such as the dorsal raphé nucleus (DR), is implicated in arousal, yet interactions between these systems are just beginning to be explored. Using a combination of viral tracing, circuit mapping, electrophysiological recordings from identified neurons and combinatorial optogenetics in mice, we show that GABAergic neurons in the LH selectively inhibit GABAergic neurons in the DR resulting in increased firing of a substantial fraction of its neurons that ultimately promotes arousal. These DR GABA neurons are wake active and project to multiple brain areas involved in the control of arousal including the LH, where their specific activation potently influences local network activity leading to arousal from sleep. Our results show how mutual inhibitory projections between the LH and the DR promote wakefulness and suggest a complex arousal control by intimate interactions between long-range connections and local circuit dynamics.

Abstract Cortical excitability, the variable response to a given cortical input, is widely studied in neuroscience, from slice experiments and in silico modeling work to human clinical settings. However, a unifying definition and a translational approach to the phenomenon are currently lacking. For example, at the onset of epileptic seizures, cortical excitability may impair resilience to perturbations (external or endogenous). In this study, we tested in vivo whether changes in cortical excitability quantified as evoked response to small perturbation corresponded to changes in resilience to larger perturbations. To do so, we used both cell-type circuit specific optogenetic stimulation in mice and direct intracranial stimulation in one human subject and quantified 1) evoked cortical responses to single pulses of varying intensity, and 2) evoked cortical facilitation and suppression to paired pulses at varying intervals. In the presence of a gamma-Aminobutyric acid (GABA) agonist or antagonist, we found that 1) cortical response to single pulses and 2) cortical facilitation decreased and increased, respectively. Additionally, using trains of opto-pulses in mice in the presence of a GABA agonist, we found increased resilience to the induction of seizures. With this study, we provide evidence for a tight correlation between cortical excitability and resilience, exploring a range of cortical dynamics, from physiological excitability, to pathological discharges. Our study carried out with two different stimulation methods in two species suggests that varying cortical excitability can be tracked with simple protocols involving minute short-lived perturbative stimuli.