Two-photon calcium imaging is a powerful means for monitoring the activity of distinct neurons in brain tissue in vivo . In the mammalian brain, such imaging studies have been restricted largely to calcium recordings from neurons that were individually dye-loaded through microelectrodes. Previous attempts to use membrane-permeant forms of fluorometric calcium indicators to load populations of neurons have yielded satisfactory results only in cell cultures or in slices of immature brain tissue. Here we introduce a versatile approach for loading membrane-permeant fluorescent indicator dyes in large populations of cells. We established a pressure ejection-based local dye delivery protocol that can be used for a large spectrum of membrane-permeant indicator dyes, including calcium green-1 acetoxymethyl (AM) ester, Fura-2 AM, Fluo-4 AM, and Indo-1 AM. We applied this dye-loading protocol successfully in mouse brain tissue at any developmental stage from newborn to adult in vivo and in vitro. In vivo two-photon Ca 2+ recordings, obtained by imaging through the intact skull, indicated that whisker deflection-evoked Ca 2+ transients occur in a subset of layer 2/3 neurons of the barrel cortex. Thus, our results demonstrate the suitability of this technique for real-time analyses of intact neuronal circuits with the resolution of individual cells.

The neurodegeneration observed in Alzheimer's disease has been associated with synaptic dismantling and progressive decrease in neuronal activity. We tested this hypothesis in vivo by using two-photon Ca 2+ imaging in a mouse model of Alzheimer's disease. Although a decrease in neuronal activity was seen in 29% of layer 2/3 cortical neurons, 21% of neurons displayed an unexpected increase in the frequency of spontaneous Ca 2+ transients. These “hyperactive” neurons were found exclusively near the plaques of amyloid β–depositing mice. The hyperactivity appeared to be due to a relative decrease in synaptic inhibition. Thus, we suggest that a redistribution of synaptic drive between silent and hyperactive neurons, rather than an overall decrease in synaptic activity, provides a mechanism for the disturbed cortical function in Alzheimer's disease.

Microglia play key roles in brain development, homeostasis, and function, and it is widely assumed that the adult population is long lived and maintained by self-renewal. However, the precise temporal and spatial dynamics of the microglial population are unknown. We show in mice and humans that the turnover of microglia is remarkably fast, allowing the whole population to be renewed several times during a lifetime. The number of microglial cells remains steady from late postnatal stages until aging and is maintained by the spatial and temporal coupling of proliferation and apoptosis, as shown by pulse-chase studies, chronic in vivo imaging of microglia, and the use of mouse models of dysregulated apoptosis. Our results reveal that the microglial population is constantly and rapidly remodeled, expanding our understanding of its role in the maintenance of brain homeostasis.

Intracellular calcium-binding proteins are abundantly expressed in many neuronal populations. Previous evidence suggests that calcium-binding proteins can modulate various neuronal properties, presumably by their action as calcium buffers. The importance of calcium-binding proteins for nervous system function in an intact integrated system is, however, less clear. To investigate the physiological role of a major endogenous calcium-binding protein, calbindin D28k (calbindin) in vivo , we have generated calbindin null mutant mice by gene targeting. Surprisingly, calbindin deficiency does not affect general parameters of development and behavior or the structure of the nervous system at the light microscopic level. Null mutants are, however, severely impaired in tests of motor coordination, suggesting functional deficits in cerebellar pathways. Purkinje neurons, the only efferent of the cerebellar cortex, and inferior olive neurons, the source of the climbing fiber afferent, have previously been shown to express calbindin. Correlated with this unusual type of ataxia, confocal calcium imaging of Purkinje cells in cerebellar slices revealed marked changes of synaptically evoked postsynaptic calcium transients. Their fast, but not their slow, decay component had larger amplitudes in null mutant than in wild-type mice. We conclude that endogenous calbindin is of crucial importance for integrated nervous system function.

The quality of genetically encoded calcium indicators (GECIs) has improved dramatically in recent years, but high-performing ratiometric indicators are still rare. Here we describe a series of fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based calcium biosensors with a reduced number of calcium binding sites per sensor. These 'Twitch' sensors are based on the C-terminal domain of Opsanus troponin C. Their FRET responses were optimized by a large-scale functional screen in bacterial colonies, refined by a secondary screen in rat hippocampal neuron cultures. We tested the in vivo performance of the most sensitive variants in the brain and lymph nodes of mice. The sensitivity of the Twitch sensors matched that of synthetic calcium dyes and allowed visualization of tonic action potential firing in neurons and high resolution functional tracking of T lymphocytes. Given their ratiometric readout, their brightness, large dynamic range and linear response properties, Twitch sensors represent versatile tools for neuroscience and immunology.

Eye-opening represents a turning point in the function of the visual cortex. Before eye-opening, the visual cortex is largely devoid of sensory inputs and neuronal activities are generated intrinsically. After eye-opening, the cortex starts to integrate visual information. Here we used in vivo two-photon calcium imaging to explore the developmental changes of the mouse visual cortex by analyzing the ongoing spontaneous activity. We found that before eye-opening, the activity of layer 2/3 neurons consists predominantly of slow wave oscillations. These waves were first detected at postnatal day 8 (P8). Their initial very low frequency (0.01 Hz) gradually increased during development to ≈0.5 Hz in adults. Before eye-opening, a large fraction of neurons (>75%) was active during each wave. One day after eye-opening, this dense mode of recruitment changed to a sparse mode with only 36% of active neurons per wave. This was followed by a progressive decrease during the following weeks, reaching 12% of active neurons per wave in adults. The possible role of visual experience for this process of sparsification was investigated by analyzing dark-reared mice. We found that sparsification also occurred in these mice, but that the switch from a dense to a sparse activity pattern was delayed by 3–4 days as compared with normally-reared mice. These results reveal a modulatory contribution of visual experience during the first days after eye-opening, but an overall dominating role of intrinsic factors. We propose that the transformation in network activity from dense to sparse is a prerequisite for the changed cortical function at eye-opening.

SUMMARY Microglia are the resident immune cells of the brain and arise from yolk sac-derived macrophages during early embryogenesis. On entering the brain, microglia undergo in situ proliferation and eventually colonise the entire brain by the second and third postnatal weeks in mice. However, the intricate dynamics of their developmental expansion remain unclear. Here, we examine and characterise the proliferative dynamics of microglia during embryonic and postnatal development. Using complementary fate-mapping techniques, we demonstrate that the developmental colonisation of the brain by microglia is facilitated by clonal expansion of highly proliferative microglial progenitors that occupy spatial niches throughout the brain. We also find that the distribution of microglia switches from a clustered to a random pattern between embryonic and late postnatal development. Moreover, the developmental increase in microglia follows the proportional growth of the brain in an allometric manner with the density of microglia eventually stabilising when the mosaic distribution has been established. Overall, our findings offer insight into how the competition for space acts as a driving force for microglial colonisation by clonal expansion during development.

Abstract Adult-born cells, arriving daily into the rodent olfactory bulb, either integrate into the neural circuitry or get eliminated. Whether these two populations differ in their morphological or functional properties remains, however, unclear. Using longitudinal in vivo two-photon imaging, we monitored dendritic morphogenesis, odor-evoked responsiveness, endogenous Ca 2+ signaling, and survival/death of adult-born juxtaglomerular neurons (abJGNs). We found that maturation of abJGNs is accompanied by a significant reduction in dendritic complexity, with surviving and subsequently eliminated cells showing similar degrees of dendritic remodeling. Surprisingly, 63% of eliminated abJGNs acquired odor-responsiveness before death, with amplitudes and time courses of odor-evoked responses similar to those recorded in surviving cells. We observed, however, a significant long-lasting enhancement of endogenous Ca 2+ signaling in subsequently eliminated abJGNs, visible already 6 days before death. These findings identify ongoing endogenous Ca 2+ signaling as a key predictor of abJGNs’ fate.