In the cochlea, ribbon synapses are used to transmit acoustic information from inner hair cells to spiral ganglion cells. Here the authors find that the properties of these synapses vary along the tonotopic axis, providing a candidate presynaptic mechanism for modulating the dynamics of ganglion cell spiking. Cochlear inner hair cells (IHCs) transmit acoustic information to spiral ganglion neurons through ribbon synapses. Here we have used morphological and physiological techniques to ask whether synaptic mechanisms differ along the tonotopic axis and within IHCs in the mouse cochlea. We show that the number of ribbon synapses per IHC peaks where the cochlea is most sensitive to sound. Exocytosis, measured as membrane capacitance changes, scaled with synapse number when comparing apical and midcochlear IHCs. Synapses were distributed in the subnuclear portion of IHCs. High-resolution imaging of IHC synapses provided insights into presynaptic Ca2+ channel clusters and Ca2+ signals, synaptic ribbons and postsynaptic glutamate receptor clusters and revealed subtle differences in their average properties along the tonotopic axis. However, we observed substantial variability for presynaptic Ca2+ signals, even within individual IHCs, providing a candidate presynaptic mechanism for the divergent dynamics of spiral ganglion neuron spiking.

At the presynaptic active zone, Ca²+ influx triggers fusion of synaptic vesicles. It is not well understood how Ca²+ channel clustering and synaptic vesicle docking are organized. Here, we studied structure and function of hair cell ribbon synapses following genetic disruption of the presynaptic scaffold protein Bassoon. Mutant synapses--mostly lacking the ribbon--showed a reduction in membrane-proximal vesicles, with ribbonless synapses affected more than ribbon-occupied synapses. Ca²+ channels were also fewer at mutant synapses and appeared in abnormally shaped clusters. Ribbon absence reduced Ca²+ channel numbers at mutant and wild-type synapses. Fast and sustained exocytosis was reduced, notwithstanding normal coupling of the remaining Ca²+ channels to exocytosis. In vitro recordings revealed a slight impairment of vesicle replenishment. Mechanistic modeling of the in vivo data independently supported morphological and functional in vitro findings. We conclude that Bassoon and the ribbon (1) create a large number of release sites by organizing Ca²+ channels and vesicles, and (2) promote vesicle replenishment.

The authors show that a mutation in the synaptic vesicle protein otoferlin impairs hearing by reducing the rate of vesicle replenishment at the inner hair cell ribbon synapse. They propose that the function of otoferlin is to replenish synaptic vesicles. Inner hair cell ribbon synapses indefatigably transmit acoustic information. The proteins mediating their fast vesicle replenishment (hundreds of vesicles per s) are unknown. We found that an aspartate to glycine substitution in the C2F domain of the synaptic vesicle protein otoferlin impaired hearing by reducing vesicle replenishment in the pachanga mouse model of human deafness DFNB9. In vitro estimates of vesicle docking, the readily releasable vesicle pool (RRP), Ca2+ signaling and vesicle fusion were normal. Moreover, we observed postsynaptic excitatory currents of variable size and spike generation. However, mutant active zones replenished vesicles at lower rates than wild-type ones and sound-evoked spiking in auditory neurons was sparse and only partially improved during longer interstimulus intervals. We conclude that replenishment does not match the release of vesicles at mutant active zones in vivo and a sufficient standing RRP therefore cannot be maintained. We propose that otoferlin is involved in replenishing synaptic vesicles.

Neuroscientists studying the neural correlates of mouse behavior often lack access to the brain-wide activity patterns elicited during a specific task of interest. Fortunately, large-scale imaging is becoming increasingly accessible thanks to modalities such as Ca2+ imaging and functional ultrasound (fUS). However, these and other techniques often involve challenging cranial window procedures, and are difficult to combine with other neuroscience tools. We address this need with an open-source 3D-printable cranial implant — the COMBO (ChrOnic Multimodal imaging and Behavioral Observation) window. The COMBO window enables chronic imaging of large portions of the brain in head-fixed mice while preserving orofacial movements. We validate the COMBO window stability using both brain-wide fUS and multi-site two-photon imaging. Moreover, we demonstrate how the COMBO window facilitates the combination of optogenetics, fUS and electrophysiology in the same animals to study the effects of circuit perturbations at both the brain-wide and single-neuron level. Overall, the COMBO window provides a versatile solution for performing multimodal brain recordings in head-fixed mice.

ABSTRACT Structured connectivity in the brain organizes information by constraining neuronal dynamics. Theoretical models predict that memories are represented by balanced assemblies of excitatory and inhibitory neurons, but the existence and functions of such EI assemblies are difficult to explore. We addressed these issues in telencephalic area Dp of adult zebrafish, the homolog of piriform cortex, using computational modeling, population activity measurements, and optogenetic perturbations. Modeling revealed that precise balance of EI assemblies is important to prevent not only excessive firing rates (“runaway activity”) but also the stochastic occurrence of high pattern correlations (“runaway correlations”). Consistent with model-derived predictions, runaway correlations emerged in Dp when synaptic balance was perturbed by optogenetic manipulations of fast-spiking feedback interneurons. Moreover, runaway correlations were driven by sparse subsets of strongly active neurons, rather than by a general broadening of tuning curves. These results reveal novel computational functions of EI assemblies in an autoassociative olfactory memory network and support the hypothesis that EI assemblies organize information on continuous representational manifolds rather than discrete attractor landscapes.

Neuroscientists studying the neural correlates of mouse behavior often lack access to the brain-wide activity patterns elicited during a specific task of interest. Fortunately, large-scale imaging is becoming increasingly accessible thanks to modalities such as Ca 2+ imaging and functional ultrasound (fUS). However, these and other techniques often involve challenging cranial window procedures and are difficult to combine with other neuroscience tools. We address this need with an open-source 3D-printable cranial implant—the COMBO ( C hr O nic M ultimodal imaging and B ehavioral O bservation) window. The COMBO window enables chronic imaging of large portions of the brain in head-fixed mice while preserving orofacial movements. We validate the COMBO window stability using both brain-wide fUS and multisite two-photon imaging. Moreover, we demonstrate how the COMBO window facilitates the combination of optogenetics, fUS, and electrophysiology in the same animals to study the effects of circuit perturbations at both the brain-wide and single-neuron level. Overall, the COMBO window provides a versatile solution for performing multimodal brain recordings in head-fixed mice.