Genetically-encoded calcium indicators (GECIs) facilitate imaging activity of genetically defined neuronal populations in vivo. The high intracellular GECI concentrations required for in vivo imaging are usually achieved by viral gene transfer using adeno-associated viruses. Transgenic expression of GECIs promises important advantages, including homogeneous, repeatable, and stable expression without the need for invasive virus injections. Here we present the generation and characterization of transgenic mice expressing the GECIs GCaMP6s or GCaMP6f under the Thy1 promoter. We quantified GCaMP6 expression across brain regions and neurons and compared to other transgenic mice and AAV-mediated expression. We tested three mouse lines for imaging in the visual cortex in vivo and compared their performance to mice injected with AAV expressing GCaMP6. Furthermore, we show that GCaMP6 Thy1 transgenic mice are useful for long-term, high-sensitivity imaging in behaving mice.

Clarifying gene expression in narrowly defined neuronal populations can provide insight into cellular identity, computation, and functionality. Here, we used next-generation RNA sequencing (RNA-seq) to produce a quantitative, whole genome characterization of gene expression for the major excitatory neuronal classes of the hippocampus; namely, granule cells and mossy cells of the dentate gyrus, and pyramidal cells of areas CA3, CA2, and CA1. Moreover, for the canonical cell classes of the trisynaptic loop, we profiled transcriptomes at both dorsal and ventral poles, producing a cell-class- and region-specific transcriptional description for these populations. This dataset clarifies the transcriptional properties and identities of lesser-known cell classes, and moreover reveals unexpected variation in the trisynaptic loop across the dorsal-ventral axis. We have created a public resource, Hipposeq (http://hipposeq.janelia.org), which provides analysis and visualization of these data and will act as a roadmap relating molecules to cells, circuits, and computation in the hippocampus.

SUMMARY Cell-specific pharmaceutical technologies promise mechanistic insight into clinical drugs―those that treat, and often define, human disease. In particular, DART (drug acutely restricted by tethering) achieves genetically programmable control of drug concentration over cellular dimensions. The method is compatible with clinical pharmaceuticals and amenable to studies in behaving animals. Here, we describe DART.2 , comprising three advances. First, we improve the efficiency of chemical capture, enabling cell-specific accumulation of drug to ∼3,000-times the ambient concentration in 15 min. Second, we develop tracer reagents, providing a behavior-independent measure of cellular target engagement in each animal. Third, we extend the method to positive allosteric modulators and outline design principles for this clinically significant class. We showcase the platform with four pharmaceuticals―two that weaken excitatory (AMPAR) or inhibitory (GABA A R) chemical neurotransmission, and two that strengthen these forms of synaptic communication. Across four labs, we tested reagents in the mouse cerebellum, basal ganglia, visual cortex, and retina. Collectively, we demonstrate robust, bidirectional editing of chemical neurotransmission. We provide for distribution of validated reagents, community design principles, and synthetic building blocks for application to diverse pharmaceuticals.

Uncovering common principles by which diverse modalities of information are processed is a fundamental goal in neuroscience. In mammalian brain, thalamus is the central processing station for inputs from sensory systems, subcortical motor systems, and cortex; a function subserved by over 30 defined nuclei. Multiple thalamic nuclei send convergent information to each region of the forebrain, but whether there is a conserved architecture across the set of thalamic pathways projecting to each forebrain area has remained unresolved. To uncover organizational principles of thalamic pathways, we produced a near-comprehensive transcriptomic atlas of thalamus. This revealed a common logic for thalamic nuclei serving all major cortical modalities. We found that almost all nuclei belong to one of three major profiles, with a given cortical area getting input from each of these profiles. These profiles lie on a single axis of variance aligned with the mediolateral axis of thalamus, and this axis is strongly enriched in genes encoding receptors and ion channels. We further show that each projection profile exhibits different electrophysiological signatures. Single-cell profiling revealed that rather than forming discrete classes, thalamic neurons lie on a spectrum, with intermediate cells existing between profiles. Thus, in contrast to canonical models of thalamus that suggest it is a switchboard primarily concerned with routing distinct modalities of information to distinct cortical regions, we show that the thalamocortical system is more akin to a molecularly-defined filter bank repeatedly applied across modality. Together, we reveal striking covariation in the organization of thalamic pathways serving all input modalities and output targets, establishing a simple and comprehensive thalamic functional architecture.

Abstract Ketamine’s role in providing a rapid and sustained antidepressant response, particularly for patients unresponsive to conventional treatments, is increasingly recognized. A core symptom of depression, anhedonia, or the loss of enjoyment or interest in previously pleasurable activities, is known to be significantly alleviated by ketamine. While several hypotheses have been proposed regarding the mechanisms by which ketamine alleviates anhedonia, the specific circuits and synaptic changes responsible for its sustained therapeutic effects are not yet understood. Here, we show that the nucleus accumbens (NAc), a major hub of the reward circuitry, is essential for ketamine’s effect in rescuing anhedonia in mice subjected to chronic stress, a critical risk factor in the genesis of depression in humans. Specifically, a single exposure to ketamine rescues stress-induced decreased strength of excitatory synapses on NAc D1 dopamine receptor-expressing medium spiny neurons (D1-MSNs). By using a novel cell-specific pharmacology method, we demonstrate that this cell-type specific neuroadaptation is necessary for the sustained therapeutic effects of ketamine. To test for causal sufficiency, we artificially mimicked ketamine-induced increase in excitatory strength on D1-MSNs and found that this recapitulates the behavioral amelioration induced by ketamine. Finally, to determine the presynaptic origin of the relevant glutamatergic inputs for ketamine-elicited synaptic and behavioral effects, we used a combination of opto- and chemogenetics. We found that ketamine rescues stress-induced reduction in excitatory strength at medial prefrontal cortex and ventral hippocampus inputs to NAc D1-MSNs. Chemogenetically preventing ketamine-evoked plasticity at those unique inputs to the NAc reveals a ketamine-operated input-specific control of hedonic behavior. These results establish that ketamine rescues stress-induced anhedonia via cell-type-specific adaptations as well as information integration in the NAc via discrete excitatory synapses.

Abstract When animals unexpectedly fail, their dopamine neurons undergo phasic inhibition that canonically drives extinction learning—a cognitive-flexibility mechanism for discarding outdated strategies. However, the existing evidence equates natural and artificial phasic inhibition, despite their spatiotemporal differences. Addressing this gap, we targeted a GABA A -receptor antagonist precisely to dopamine neurons, yielding three unexpected findings. First, this intervention blocked natural phasic inhibition selectively, leaving tonic activity unaffected. Second, blocking natural phasic inhibition accelerated extinction learning—opposite to canonical mechanisms. Third, our approach selectively benefitted perseverative mice, restoring rapid extinction without affecting new reward learning. Our findings reveal that extinction learning is rapid by default and slowed by natural phasic inhibition—challenging foundational learning theories, while delineating a synaptic mechanism and therapeutic target for cognitive rigidity.