3D functional imaging of neuronal activity in entire organisms at single cell level and physiologically relevant time scales faces major obstacles due to trade-offs between the size of the imaged volumes, and spatial and temporal resolution. Here, using light-field microscopy in combination with 3D deconvolution, we demonstrate intrinsically simultaneous volumetric functional imaging of neuronal population activity at single neuron resolution for an entire organism, the nematode Caenorhabditis elegans. The simplicity of our technique and possibility of the integration into epi-fluoresence microscopes makes it an attractive tool for high-speed volumetric calcium imaging.

Summary

 While isolated motor actions can be correlated with activities of neuronal networks, an unresolved problem is how the brain assembles these activities into organized behaviors like action sequences. Using brain-wide calcium imaging in Caenorhabditis elegans, we show that a large proportion of neurons across the brain share information by engaging in coordinated, dynamical network activity. This brain state evolves on a cycle, each segment of which recruits the activities of different neuronal sub-populations and can be explicitly mapped, on a single trial basis, to the animals' major motor commands. This organization defines the assembly of motor commands into a string of run-and-turn action sequence cycles, including decisions between alternative behaviors. These dynamics serve as a robust scaffold for action selection in response to sensory input. This study shows that the coordination of neuronal activity patterns into global brain dynamics underlies the high-level organization of behavior.

Abstract Cerebral organoids provide unparalleled access to human brain development in vitro. However, variability induced by current culture methodologies precludes using organoids as robust disease models. To address this, we developed an automated Organoid Culture and Assay (ORCA) system to support longitudinal unbiased phenotyping of organoids at scale across multiple patient lines. We then characterized organoid variability using novel machine learning methods and found that the contribution of donor, clone, and batch is significant and remarkably consistent over gene expression, morphology, and cell-type composition. Next, we performed multi-factorial protocol optimization, producing a directed forebrain protocol compatible with 96-well culture that exhibits low variability while preserving tissue complexity. Finally, we used ORCA to study tuberous sclerosis, a disease with known genetics but poorly representative animal models. For the first time, we report highly reproducible early morphological and molecular signatures of disease in heterozygous TSC+/− forebrain organoids, demonstrating the benefit of a scaled organoid system for phenotype discovery in human disease models.

ABSTRACT Demultiplexing methods have facilitated the widespread use of single-cell RNA sequencing (scRNAseq) experiments by lowering costs and reducing technical variations. Here, we present demuxalot : a method for probabilistic genotype inference from aligned reads, with no assumptions about allele ratios and efficient incorporation of prior genotype information from historical experiments in a multi-batch setting. Our method efficiently incorporates additional information across reads originating from the same transcript, enabling up to 3x more calls per read relative to naive approaches. We also propose a novel and highly performant tradeoff between methods that rely on reference genotypes and methods that learn variants from the data, by selecting a small number of highly informative variants that maximize the marginal information with respect to reference single nucleotide variants (SNVs). Our resulting improved SNV-based demultiplex method is up to 3x faster, 3x more data efficient, and achieves significantly more accurate doublet discrimination than previously published methods. This approach renders scRNAseq feasible for the kind of large multi-batch, multi-donor studies that are required to prosecute diseases with heterogeneous genetic backgrounds.

Despite decades of research, whether the C. elegans traveling-wave sinusoidal body pattern during locomotion is produced (a) by the undulations of the head followed by wave propagation down the body, or (b) via centrally coordinated posture control along the body, is still under debate. By studying relationships between the time series of postural angles along the body extracted from videos of moving worms, we find that the reflex-chain model can be refuted, in both forward and backward locomotion as well as during swimming and crawling behaviors. We show that information theory applied to animal behavior can yield insights into the neural control of behavior.

Abstract Memory, defined as an alteration in behavior towards a stimulus that follows as a consequence of experience, arises when a sensory stimulus is encountered at the same time that the animal experiences a negative or positive internal state. How this coincident detection of external and internal stimuli stably alters responses to the external stimulus is still not fully understood, especially in the context of an intact animal. One barrier to understanding how an intact biological circuit changes is knowing what molecular processes are required to establish and maintain the memory. The optically accessible and compact nervous system of C. elegans provides a unique opportunity to examine these processes. C. elegans can remember an odor such as butanone when it is paired with a single negative experience and the transient receptor potential (TRP) OSM-9/TRPV5/TRPV6 channel is known to be required for this memory. The multiple gating mechanisms of TRPV channels give them the potential to be the coincidence detectors required to integrate internal state and external stimuli. Here, we report that this TRPV channel is also required for acquisition and possibly consolidation of sleep-dependent, long-term memory of butanone. We find that in the anterior ganglion, endogenous GFP-tagged OSM-9 is expressed in the paired AWA olfactory neurons, the ASH nociceptive neuron pair, the mechanosensory OLQ tetrad, and the paired ADF and ADL sensory neurons. In these cells, OSM-9 protein is concentrated in the sensory endings, dendrites, and cell bodies, but excluded from the neurites in the nerve ring. In the tail, OSM-9 is expressed in the nociceptive phasmid neurons PHA and PHB, possibly PQR as well as PVP. In the midbody, it is possibly expressed in the mechanosensitive PVD neuron. It is notably absent from the AWC pair that are required for butanone attraction. Chronic loss of OSM-9 in a subset of ciliated neurons that do not include AWA interferes with consolidation but not learning. Because OSM-9 is expressed and required in sensory neurons that are not needed for butanone chemosensory behavior, two interpretations are possible. The first, is that OSM-9 loss leads to gain of function or neomorphic behavior of these cells that are extrinsic to the primary sensory circuit and their new activity interferes with acquisition and consolidation of memory. The second is that loss of OSM-9 leads to a loss of function phenotype in which the wild type function of these cells is diminished and this function is required for memory consolidation. Author summary How organisms learn from their environment and keep these memories for the long term ensures their survival. There is much known about the regions of the brain and the various proteins that are essential for memory, yet the exact molecular mechanisms and dynamics required are not known. We aimed to understand the genetics that underlie memory formation. We tested a gene that encodes a transient potential receptor channel vanilloid channel, which is similar to the channels we have that sense spicy foods and other harmful cues. Our studies have shown that this gene is required for the animal to be able to acquire and perhaps consolidate olfactory memory. This protein is not expressed in the sensory neurons that respond to the odor that is memorized or in other downstream interneurons in the odor-sensation circuit, but it is expressed in a distinct set of sensory neurons. This indicates that long-term memory involves wild type behavior of a wider array of sensory neurons than is required for the primary sensation. These channels are also implicated in neurological disorders where memory is affected, including Alzheimer’s disease. Understanding how memory formation is affected by cells outside the memory circuit might provide testable hypothesis about what goes awry in Alzheimer’s disease.

We develop a data harmonization approach for C. elegans volumetric microscopy data, still or video, consisting of a standardized format, data pre-processing techniques, and a set of human-in-the-loop machine learning based analysis software tools. We unify a diverse collection of 118 whole-brain neural activity imaging datasets from 5 labs, storing these and accompanying tools in an online repository called WormID (wormid.org). We use this repository to generate a statistical atlas that, for the first time, enables accurate automated cellular identification that generalizes across labs, approaching human performance in some cases. We mine this repository to identify factors that influence the developmental positioning of neurons. To facilitate communal use of this repository, we created open-source software, code, web-based tools, and tutorials to explore and curate datasets for contribution to the scientific community. This repository provides a growing resource for experimentalists, theorists, and toolmakers to investigate neuroanatomical organization and neural activity across diverse experimental paradigms, develop and benchmark algorithms for automated neuron detection, segmentation, cell identification, tracking, and activity extraction, and inform models of neurobiological development and function.

Abstract We report the existence of a working memory system in the nematode C. elegans that is employed for deferred action in a sensory-guided decision-making process. We find that the turn direction of discrete reorientations during navigation is under sensory-guided control and relies on a working memory that can persist over an intervening behavioral sequence. This memory system is implemented by the phasic interaction of two distributed oscillatory dynamical components. The interaction of oscillatory neural ensembles may be a conserved primitive of cognition across the animal kingdom.

SUMMARY Animals with complex nervous systems demand sleep for memory consolidation and synaptic remodeling. Here we show that though the Caenorhabditis elegans nervous system has a limited number of neurons, sleep is necessary for both processes. In addition, it is unclear in any system if sleep collaborates with experience to alter synapses between specific neurons and whether this ultimately affects behavior. C. elegans neurons have defined connections and well-described contributions to behavior. We show that spaced odor-training and post-training sleep induce long-term memory. Memory consolidation, but not acquisition, requires a pair of interneurons, the AIYs, which play a role in odor-seeking behavior. In worms that consolidate memory, both sleep and odor conditioning are required to diminish inhibitory synaptic connections between the AWC chemosensory neurons and the AIYs. Thus, we demonstrate in a living organism that sleep is required for events immediately after training that drive memory consolidation and alter synaptic structures.

Abstract Elevated expression of the complement component 4A (C4A) protein has been linked to an increased risk of schizophrenia (SCZ). However, there are few human models available to study the mechanisms by which C4A contributes to the development of SCZ. In this study, we established a C4A overexpressing neuroimmune cortical organoid (NICO) model, which includes mature neuronal cells, astrocytes, and functional microglia. The C4A NICO model recapitulated several neuroimmune endophenotypes observed in SCZ patients, including modulation of inflammatory genes and increased cytokine secretion. C4A expression also increased microglia-mediated synaptic uptake in the NICO model, supporting the hypothesis that synapse and brain volume loss in SCZ patients may be due to excessive microglial pruning. Our results highlight the role of C4A in the immunogenetic risk factors for SCZ and provide a human model for phenotypic discovery and validation of immunomodulating therapies.