The heart and pyloric rhythms of crustaceans have been studied separately and extensively over many years. Local and hormonal neuromodulation and sensory inputs onto these central pattern generating circuits play a significant role in the animals' responses to perturbations, but are usually lost or removed during in vitro studies. To examine simultaneously the in vivo motor output of the heart and pyloric rhythms, we used photoplethysmography (PPG). In the population measured (n = 49), the heart rhythm frequencies ranged from 0.3-2.3 Hz. The pyloric rhythms varied from 0.2-1.6 Hz. During multiple hour-long recordings, many animals held at control temperature showed strong inhibitory bouts in which the heart decreased in frequency or become quiescent and the pyloric rhythm also decreased in frequency. Many animals show significant coherence in frequency between the rhythms at the frequency of the heart rhythm. We measured the simultaneous responses of the rhythms to temperature ramps by heating or cooling the saline bath while recording both the heart and pyloric muscle movements. Q10s, critical temperatures (temperatures at which function is compromised), and changes in frequency were calculated for each of the rhythms tested. The heart rhythm was more robust to high temperature than the pyloric rhythm.

Summary Balancing plasticity and stability in neural circuits is essential for an animal’s ability to learn from its environment while preserving the proper processing and perception of sensory information. However, unlike the mechanisms that drive plasticity in neural circuits, the activity-induced molecular mechanisms that convey functional stability remain poorly understood. Focusing on the visual cortex of adult mice and combining transcriptomics, electrophysiology and 2-photon imaging, we find that the daily appearance of light induces in excitatory neurons a large gene program along with rapid and transient shifts in the ratio of excitation and inhibition (E/I-ratio) and ongoing neural activity. Furthermore, we find that the light-induced transcription factor NPAS4 drives these daily normalizations of E/I-ratio and neural activity rates and that it stabilizes the neurons’ response properties. These findings indicate that daily sensory-induced transcription normalizes E/I-ratio and drives downward Firing Rate Homeostasis to maintain proper sensory processing and perception.

Abstract Neural circuits are characterized by genetically and functionally diverse cell types. A mechanistic understanding of circuit function is predicated on linking the genetic and physiological properties of individual neurons. However, it remains highly challenging to map the functional properties of transcriptionally heterogeneous neuronal subtypes in mammalian cortical circuits in vivo . Here, we introduce a high-throughput two-photon nuclear phototagging (2P-NucTag) approach optimized for on-demand and indelible labeling of single neurons via a photoactivatable red fluorescent protein following in vivo functional characterization in behaving mice. We demonstrate the utility of this function-forward pipeline by selectively labeling and transcriptionally profiling previously inaccessible ‘place’ and ‘silent’ cells in the mouse hippocampus. Our results reveal unexpected differences in gene expression between these hippocampal pyramidal neurons with distinct spatial coding properties. Thus, 2P-NucTag opens a new way to uncover the molecular principles that govern the functional organization of neural circuits.