Local microcircuits within neocortical columns form key determinants of sensory processing. Here, we investigate the excitatory synaptic neuronal network of an anatomically defined cortical column, the C2 barrel column of mouse primary somatosensory cortex. This cortical column is known to process tactile information related to the C2 whisker. Through multiple simultaneous whole-cell recordings, we quantify connectivity maps between individual excitatory neurons located across all cortical layers of the C2 barrel column. Synaptic connectivity depended strongly upon somatic laminar location of both presynaptic and postsynaptic neurons, providing definitive evidence for layer-specific signaling pathways. The strongest excitatory influence upon the cortical column was provided by presynaptic layer 4 neurons. In all layers we found rare large-amplitude synaptic connections, which are likely to contribute strongly to reliable information processing. Our data set provides the first functional description of the excitatory synaptic wiring diagram of a physiologically relevant and anatomically well-defined cortical column at single-cell resolution.

The rodent primary somatosensory cortex is spontaneously active in the form of locally synchronous membrane depolarizations (UP states) separated by quiescent hyperpolarized periods (DOWN states) both under anesthesia and during quiet wakefulness. In vivo whole-cell recordings and tetrode unit recordings were combined with voltage-sensitive dye imaging to analyze the relationship of the activity of individual pyramidal neurons in layer 2/3 to the ensemble spatiotemporal dynamics of the spontaneous depolarizations. These were either brief and localized to an area of a barrel column or occurred as propagating waves dependent on local glutamatergic synaptic transmission in layer 2/3. Spontaneous activity inhibited the sensory responses evoked by whisker deflection, accounting almost entirely for the large trial-to-trial variability of sensory-evoked postsynaptic potentials and action potentials. Subthreshold sensory synaptic responses evoked while a cortical area was spontaneously depolarized were smaller, briefer and spatially more confined. Surprisingly, whisker deflections evoked fewer action potentials during the spontaneous depolarizations despite neurons being closer to threshold. The ongoing spontaneous activity thus regulates the amplitude and the time-dependent spread of the sensory response in layer 2/3 barrel cortex.

Summary

 Tactile information is actively acquired and processed in the brain through concerted interactions between movement and sensation. Somatosensory input is often the result of self-generated movement during the active touch of objects, and conversely, sensory information is used to refine motor control. There must therefore be important interactions between sensory and motor pathways, which we chose to investigate in the mouse whisker sensorimotor system. Voltage-sensitive dye was applied to the neocortex of mice to directly image the membrane potential dynamics of sensorimotor cortex with subcolumnar spatial resolution and millisecond temporal precision. Single brief whisker deflections evoked highly distributed depolarizing cortical sensory responses, which began in the primary somatosensory barrel cortex and subsequently excited the whisker motor cortex. The spread of sensory information to motor cortex was dynamically regulated by behavior and correlated with the generation of sensory-evoked whisker movement. Sensory processing in motor cortex may therefore contribute significantly to active tactile sensory perception.

Voltage-sensitive dye imaging resolves the spatiotemporal dynamics of supragranular subthreshold cortical activity with millisecond temporal resolution and subcolumnar spatial resolution. We used a flexible fiber optic image bundle to visualize voltage-sensitive dye dynamics in the barrel cortex of freely moving mice while simultaneously filming whisker-related behavior to generate two movies matched frame-by-frame with a temporal resolution of up to 2 ms. Sensory responses evoked by passive whisker stimulation lasted longer and spread further across the barrel cortex in awake mice compared to anesthetized mice. Passively evoked sensory responses were large during behaviorally quiet periods and small during active whisking. However, as an exploring mouse approached an object while whisking, large-amplitude, propagating cortical sensory activity was evoked by active whisker-touch. These experiments demonstrate that fiber optics can be used to image cortical sensory activity with high resolution in freely moving animals. The results demonstrate differential processing of sensory input depending upon behavior.

Computations in cortical circuits are mediated by synaptic interactions between excitatory and inhibitory neurons, and yet we know little about their activity in awake animals. Here, through single and dual whole-cell recordings combined with two-photon microscopy in the barrel cortex of behaving mice, we directly compare the synaptically driven membrane potential dynamics of inhibitory and excitatory layer 2/3 neurons. We find that inhibitory neurons depolarize synchronously with excitatory neurons, but they are much more active with differential contributions of two classes of inhibitory neurons during different brain states. Fast-spiking GABAergic neurons dominate during quiet wakefulness, but during active wakefulness Non-fast-spiking GABAergic neurons depolarize, firing action potentials at increased rates. Sparse uncorrelated action potential firing in excitatory neurons is driven by fast, large, and cell-specific depolarization. In contrast, inhibitory neurons fire correlated action potentials at much higher frequencies driven by slower, smaller, and broadly synchronized depolarization.

The spatiotemporal dynamics of the sensory response in layer 2/3 of primary somatosensory cortex evoked by a single brief whisker deflection was investigated by simultaneous voltage-sensitive dye (VSD) imaging and whole-cell (WC) voltage recordings in the anesthetized rat combined with reconstructions of dendritic and axonal arbors of L2/3 pyramids. Single and dual WC recordings from pyramidal cells indicated a strong correlation between the local VSD population response and the simultaneously measured subthreshold postsynaptic potential changes in both amplitude and time course. The earliest VSD response was detected 10–12 msec after whisker deflection centered above the barrel isomorphic to the stimulated principal whisker. It was restricted horizontally to the size of a single barrel-column coextensive with the dendritic arbor of barrel-column-related pyramids in L2/3. The horizontal spread of excitation remained confined to a single barrel-column with weak whisker deflection. With intermediate deflections, excitation spread into adjacent barrel-columns, propagating twofold more rapidly along the rows of the barrel field than across the arcs, consistent with the preferred axonal arborizations in L2/3 of reconstructed pyramidal neurons. Finally, larger whisker deflections evoked excitation spreading over the entire barrel field within ∼50 msec before subsiding over the next ∼250 msec. Thus the subthreshold cortical map representing a whisker deflection is dynamic on the millisecond time scale and strongly depends on stimulus strength. The sequential spatiotemporal activation of the excitatory neuronal network in L2/3 by a simple sensory stimulus can thus be accounted for primarily by the columnar restriction of L4 to L2/3 excitatory connections and the axonal field of barrel-related pyramids.

By a Whisker Every student learns that the sensory cortex is used for processing sensation and the motor cortex is used for perceiving movement. However, in the real world, this may not always be so neatly arranged. Matyas et al. (p. 1240 ) have found that sensory and motor fields are specialized for different types of movement, such that in mice the motor cortex controlled the forward movement (protraction) of their whiskers and the sensory cortex controlled backwards movements (retraction) of whiskers. So if a whisker hits an object, then a reasonable first reaction might be a motor command for retraction. Similarly, the motor cortex stimulates protraction for more active exploration. Hence, the sensory cortex is also motor and the motor cortex is also sensory. In an ecological context, these combined reactions offer a repertoire useful for a mouse seeking food and shelter in a complex environment.