We present a modular approach for analyzing calcium imaging recordings of large neuronal ensembles. Our goal is to simultaneously identify the locations of the neurons, demix spatially overlapping components, and denoise and deconvolve the spiking activity from the slow dynamics of the calcium indicator. Our approach relies on a constrained nonnegative matrix factorization that expresses the spatiotemporal fluorescence activity as the product of a spatial matrix that encodes the spatial footprint of each neuron in the optical field and a temporal matrix that characterizes the calcium concentration of each neuron over time. This framework is combined with a novel constrained deconvolution approach that extracts estimates of neural activity from fluorescence traces, to create a spatiotemporal processing algorithm that requires minimal parameter tuning. We demonstrate the general applicability of our method by applying it to in vitro and in vivo multi-neuronal imaging data, whole-brain light-sheet imaging data, and dendritic imaging data.

Abstract Endoplasmic/sarcoplasmic reticulum (ER/SR) sits at the heart of the calcium (Ca 2+ ) signaling machinery, yet current genetically encoded Ca 2+ indicators (GECIs) lack the ability to detect elementary Ca 2+ release events from ER/SR, particularly in muscle cells. Here we report a set of organellar GECIs, termed NEMOer, to efficiently capture ER Ca 2+ dynamics with increased sensitivity and responsiveness. Compared to G-CEPIA1er, NEMOer indicators exhibit dynamic ranges that are an order of magnitude larger, which enables up to 5-fold more sensitive detection of Ca 2+ oscillation in both non-excitable and excitable cells. The ratiometric version further allows super-resolution monitoring of local ER Ca 2+ homeostasis and dynamics. Notably, the NEMOer-f variant enabled the inaugural detection of Ca 2+ blinks, elementary Ca 2+ releasing signals from the SR of cardiomyocytes, as well as in vivo spontaneous SR Ca 2+ releases in zebrafish. In summary, the highly dynamic NEMOer sensors expand the repertoire of organellar Ca 2+ sensors that allow real-time monitoring of intricate Ca 2+ dynamics and homeostasis in live cells with high spatiotemporal resolution.

Background The serum albumin creatinine ratio (sACR) has been established as a potential indicator for heart disease, however, its relationship with prognosis in intensive care unit (ICU) patients with heart failure remains uncertain. This study aimed to investigate the association between sACR levels and all-cause mortality ICU patients with heart failure. Methods Clinical data from MIMIC-Ⅳ database was utilized for the analysis of ICU patients with heart failure. Patients were categorized into quartiles (Q1-Q4) based on sACR levels. Kaplan-Meier survival analysis and multivariate adjusted Cox regression models were employed to assess the association between sACR levels and mortality outcomes within 365 days. Subgroup analysis was used to evaluate the prognostic impact of sACR across diverse populations. Restricted cubic spline curves and threshold effect analysis were utilized to quantify the dose-response relationship between sACR levels and risk of all-cause mortality. Mediating effects analysis was conducted to present the involvement of albumin and creatinine in the association between sACR and outcomes. Results The analysis encompassed a cohort of 4,506 patients, with Kaplan-Meier curves indicating that individuals with lower sACR levels exhibited an elevated risk of all-cause mortality (log-rank p < 0.001). Multivariate adjusted Cox regression and subgroup analysis demonstrated that individuals in Q2 [hazard ratio (HR) 0.82, 95%CI 0.71∼0.96], Q3 (HR 0.76, 95%CI 0.64∼0.91) and Q4 (HR 0.62, 95%CI 0.50∼0.76) had a decreased risk of mortality compared to individuals in Q1 (lower levels of sACR) ( p for trend < 0.001), and this inverse relationship was consistently observed across various subgroups. Subsequent restricted cubic spline analysis revealed a negative yet nonlinear relationship between sACR and all-cause mortality ( p for nonlinear < 0.001), and threshold effect analysis indicated an effect threshold of 3.75. Additionally, mediating effects analysis emphasized that sACR influenced the outcome not only through serum albumin and creatinine pathways, but also through direct mechanisms. Conclusion The study found that low levels of sACR were independently associated with an increased risk of one-year all-cause mortality in ICU patients with heart failure, with a threshold effect, which could potentially serve as an early warning indicator for high-risk populations.

Simultaneous recordings of large populations of neurons in behaving animals allow detailed observation of high-dimensional, complex brain activity. However, experimental design and analysis approaches have not sufficiently evolved to fully realize the potential of these methods. We recorded whole-brain neuronal activity for larval zebrafish presented with a battery of visual stimuli while recording fictive motor output. These data were used to develop analysis methods including regression techniques that leverage trial-to-trial variations and unsupervised clustering techniques that organize neurons into functional groups. We used these methods to obtain brain-wide maps of concerted activity, which revealed both known and heretofore uncharacterized brain nuclei. We also identified neurons tuned to each stimulus type and motor output, and revealed nuclei in the anterior hindbrain that respond to multiple stimuli that elicit the same behavior. However, these convergent sensorimotor representations were only weakly correlated to instantaneous motor behavior, suggesting that they inform, but do not directly generate, behavioral output. These findings motivate a novel model of sensorimotor transformation spanning distinct behavioral contexts, within which these hindbrain convergence neurons likely constitute a key step.

Progress in modern neuroscience critically depends on our ability to observe the activity of large neuronal populations with cellular spatial and high temporal resolution. However, two bottlenecks constrain efforts towards fast imaging of large populations. First, the resulting large video data is challenging to analyze. Second, there is an explicit tradeoff between imaging speed, signal-to-noise, and field of view: with current recording technology we cannot image very large neuronal populations with simultaneously high spatial and temporal resolution. Here we describe multi-scale approaches for alleviating both of these bottlenecks. First, we show that spatial and temporal decimation techniques provide order-of-magnitude speedups in spatiotemporally demixing calcium video data into estimates of single-cell neural activity. Second, once the shapes of individual neurons have been identified (e.g., after an initial phase of conventional imaging with standard temporal and spatial resolution), we find that the spatial/temporal resolution tradeoff shifts dramatically: after demixing we can accurately recover neural activity from data that has been spatially decimated by an order of magnitude. This offers a cheap method for compressing this large video data, and also implies that it is possible to either speed up imaging significantly, or to "zoom out" by a corresponding factor to image order-of-magnitude larger neuronal populations with minimal loss in accuracy or temporal resolution.

Abstract The overactivation of β‐adrenergic receptors (β‐ARs) can result in acute myocardial ischemic injury, culminating in myocardial necrosis. Berberine (BBR) has exhibited promising potential for prevention and treatment in various heart diseases. However, its specific role in mitigating myocardial injury induced by acute β‐AR overactivation remains unexplored. This study aimed to investigate the effects and underlying mechanisms of BBR pretreatment in a rat model of acute β‐AR overactivation induced by a single dose of the nonselective β‐adrenergic agonist isoprenaline (ISO). Rats were pretreated with saline or BBR (100 mg/kg/day) via gavage for 14 consecutive days, followed by a subcutaneous injection of ISO or saline on the 14th day. The findings indicated that BBR pretreatment significantly attenuated myocardial injury in ISO‐stimulated rats, as evidenced by reduced pathological inflammatory infiltration, necrosis, and serum markers of myocardial damage. Additionally, BBR decreased oxidative stress and inflammation in the system and heart. Furthermore, BBR pretreatment enhanced myocardial ATP levels, improved mitochondrial dysfunction through increased Drp1 phosphorylation, and augmented myocardial autophagy. In a CoCl 2 ‐induced H9c2 cell hypoxic injury model, BBR pretreatment mitigated cellular injury, apoptosis, and oxidative stress while upregulating Drp1 and autophagy‐associated proteins. Mechanistically, BBR pretreatment activated AKT, AMPK, and LKB1 both in vivo and in vitro, implicating the involvement of the AKT and LKB1/AMPK signaling pathways in its cardioprotective effects. Our study demonstrated the protective effects of BBR against myocardial injury induced by acute β‐AR overactivation in rats, highlighting the potential of BBR as a preventive agent for myocardial injury associated with β‐adrenergic overactivation.

Zebrafish and organoids, crucial for complex biological studies, necessitate an imaging system with deep tissue penetration, sample protection from environmental interference, and ample operational space. Traditional three-photon microscopy is constrained by short-working-distance objectives and falls short. Our long-working-distance high-collection-efficiency three-photon microscopy (LH-3PM) addresses these challenges, achieving a 58% fluorescence collection efficiency at a 20 mm working distance. LH-3PM significantly outperforms existing three-photon systems equipped with the same long working distance objective, enhancing fluorescence collection and dramatically reducing phototoxicity and photobleaching. These improvements facilitate accurate capture of neuronal activity and an enhanced detection of activity spikes, which are vital for comprehensive, long-term imaging. LH-3PM's imaging of epileptic zebrafish not only showed sustained neuron activity over an hour but also highlighted increased neural synchronization and spike numbers, marking a notable shift in neural coding mechanisms. This breakthrough paves the way for new explorations of biological phenomena in small model organisms.

ABSTRACT Tryptophan is an essential amino acid involved in many cellular processes in vertebrates. Systemic and quantitative measurement of tryptophan is crucial for evaluating its essential role as a precursor of serotonin and kynurenine, key neuromodulators affecting neural and immune functions. We utilized a robust and highly responsive ratiometric indicator for tryptophan (GRIT) to quantitatively measure tryptophan dynamics in bacteria, mitochondria of mammalian cell cultures, and human serum. At the cellular scale, these analyses uncovered differences in tryptophan dynamics across cell types and organelles. At the whole-organism scale, we revealed that inflammation-induced tryptophan concentration increases in zebrafish brain led to elevated tryptophan metabolites serotonin and kynurenine levels, which is associated with the prolonged sleep duration. The reduction of zebrafish plasma tryptophan was mirrored in patients with inflammation symptoms and could serve as a biochemical marker of inflammation. In summary, this study introduces GRIT as a powerful method for studying tryptophan metabolism and functions across scales and species and suggests that tryptophan metabolic processes link the immune response and animal behavior.

Summary We introduce an all-optical technique that enables volumetric imaging of brain-wide calcium activity and targeted optogenetic stimulation of specific brain regions in freely swimming larval zebrafish. The system consists of three main components: a 3D tracking module, a dual color fluorescence imaging module, and a real-time activity manipulation module. Our approach uses a sensitive genetically encoded calcium indicator in combination with a long Stokes shift red fluorescence protein as a reference channel, allowing the extraction of Ca 2+ activity from signals contaminated by motion artifacts. The method also incorporates rapid 3D image reconstruction and registration, facilitating real-time selective optogenetic stimulation of different regions of the brain. By demonstrating that selective light activation of the midbrain regions in larval zebrafish could reliably trigger biased turning behavior and changes of brain-wide neural activity, we present a valuable tool for investigating the causal relationship between distributed neural circuit dynamics and naturalistic behavior. Highlights We develop an all-optical technique that enables simultaneous whole brain imaging and optogenetic manipulation of selective brain regions in freely behaving larval zebrafish. A combination of a genetically encoded calcium indicator and a long Stokes-shift red fluorescence protein, together with the adaptive filter algorithm, enables us to reliably distinguish calcium activity from motion-induced signal contamination. Rapid 3D image reconstruction and registration enables real-time targeted optogenetic stimulation of distinct brain regions in a freely swimming larval zebrafish.