Abstract Thalamoreticular circuitry is known to play a key role in attention, cognition and the generation of sleep spindles, and is implicated in numerous brain disorders, but the cellular and synaptic mechanisms remain intractable. Therefore, we developed the first detailed computational model of mouse thalamus and thalamic reticular nucleus microcircuitry that captures morphological and biophysical properties of ∼14,000 neurons connected via ∼6M synapses, and recreates biological synaptic and gap junction connectivity. Simulations recapitulate multiple independent network-level experimental findings across different brain states, providing a novel unifying cellular and synaptic account of spontaneous and evoked activity in both wakefulness and sleep. Furthermore, we found that: 1.) inhibitory rebound produces frequency-selective enhancement of thalamic responses during wakefulness, in addition to its role in spindle generation; 2.) thalamic interactions generate the characteristic waxing and waning of spindle oscillations; and 3.) changes in thalamic excitability (e.g. due to neuromodulation) control spindle frequency and occurrence. The model is openly available and provides a new tool to interpret spindle oscillations and test hypotheses of thalamoreticular circuit function and dysfunction across different network states in health and disease.

ABSTRACT Voltage-gated sodium channel (Na V ) activity underlies electrical signaling, synaptic release, circuit function, and, ultimately, behavior. Molecular tools that enable precise control of Na V subpopulations make possible temporal regulation of neuronal activity and cellular communication. To rapidly modulate Na V currents, we have rendered a potent Na V inhibitor, saxitoxin, transiently inert through chemical protection with a novel nitrobenzyl-derived photocleavable group. Light-induced uncaging of the photocaged toxin, STX-bpc, effects rapid inhibitor release and focal Na V block. We demonstrate the efficacy of this reagent for manipulating action potentials in mammalian neurons and brain slice and for altering locomotor behavior in larval zebrafish. Photo-uncaging of STX-bpc is a non-invasive, effective method for reversible, spatiotemporally precise tuning of Na V currents, application of which requires no genetic manipulation of the biological sample.

Fast electrical signaling in dendrites is central to neural computations that support adaptive behaviors. Conventional techniques lack temporal and spatial resolution and the ability to track underlying membrane potential dynamics present across the complex three-dimensional dendritic arbor in vivo. Here, we perform fast two-photon imaging of dendritic and somatic membrane potential dynamics in single pyramidal cells in the CA1 region of the mouse hippocampus during awake behavior. We study the dynamics of subthreshold membrane potential and suprathreshold dendritic events throughout the dendritic arbor in vivo by combining voltage imaging with simultaneous local field potential recording, post hoc morphological reconstruction, and a spatial navigation task. We systematically quantify the modulation of local event rates by locomotion in distinct dendritic regions and report an advancing gradient of dendritic theta phase along the basal-tuft axis, then describe a predominant hyperpolarization of the dendritic arbor during sharp-wave ripples. Finally, we find spatial tuning of dendritic representations dynamically reorganizes following place field formation. Our data reveal how the organization of electrical signaling in dendrites maps onto the anatomy of the dendritic tree across behavior, oscillatory network, and functional cell states.

Somatosensory thalamocortical (TC) neurons from the ventrobasal (VB) thalamus are central components in the flow of sensory information between the periphery and the cerebral cortex, and participate in the dynamic regulation of thalamocortical states including wakefulness and sleep. This property is reflected at the cellular level by the ability to generate action potentials in two distinct firing modes, called tonic firing and low-threshold bursting. Although the general properties of TC neurons are known, we still lack a detailed characterization of their morphological and electrical properties in the VB thalamus. The aim of this study was to build biophysically-detailed models of VB TC neurons explicitly constrained with experimental data from rats. We recorded the electrical activity of VB neurons (N = 49) and reconstructed morphologies in 3D (N = 50) by applying standardized protocols. After identifying distinct electrical types, we used a multi-objective optimization to fit single neuron electrical models (e-models), which yielded multiple solutions consistent with the experimental data. The models were tested for generalization using electrical stimuli and neuron morphologies not used during fitting. A local sensitivity analysis revealed that the e-models are robust to small parameter changes and that all the parameters were constrained by one or more features. The e-models, when tested in combination with different morphologies, showed that the electrical behavior is substantially preserved when changing dendritic structure and that the e-models were not overfit to a specific morphology. The models and their analysis show that automatic parameter search can be applied to capture complex firing behavior, such as co-existence of tonic firing and low-threshold bursting over a wide range of parameter sets and in combination with different neuron morphologies.