Abstract The electric excitability of muscle, heart and brain tissue relies on the precise interplay of Na + - and K + -selective ion channels. The involved ion fluxes are controlled in optogenetic studies using light-gated channelrhodopsins (ChRs). While non-selective cation-conducting ChRs are well-established for excitation, K + -selective ChRs (KCRs) for efficient inhibition have only recently come into reach. Here, we report the molecular analysis of recently discovered KCRs from the stramenopile Hyphochytrium catenoides and identify a novel type of hydrophobic K + -selectivity filter. Next, we demonstrate that the KCR signature motif is conserved in related stramenopile ChRs. Among them, WiChR from Wobblia lunata features an unmatched 80-fold preference for K + over Na + , stable photocurrents under continuous illumination and a prolonged open state lifetime. Well expressed in neurons, WiChR allows two-photon inhibition at low irradiance and reduced tissue heating,_recommending WiChR as the long-awaited efficient and versatile optogenetic inhibitor.

Abstract Two-photon voltage imaging has long been heralded as a transformative approach capable of answering many long-standing questions in modern neuroscience. However, exploiting its full potential requires the development of novel imaging approaches well suited to the photophysical properties of genetically encoded voltage indicators. We demonstrate that parallel excitation approaches developed for scanless two-photon photostimulation enable high-SNR two-photon voltage imaging. We use whole-cell patch-clamp electrophysiology to perform a thorough characterization of scanless two-photon voltage imaging using three parallel illumination approaches and lasers with different repetition rates and wavelengths. We demonstrate voltage recordings of high-frequency spike trains and sub-threshold depolarizations from neurons expressing the soma-targeted genetically encoded voltage indicator JEDI-2P-Kv. Using a low repetition-rate laser, we perform multi-cell recordings from up to fifteen targets simultaneously. We co-express JEDI-2P-Kv and the channelrhodopsin ChroME-ST and capitalize on their overlapping two-photon absorption spectra to simultaneously evoke and image action potentials using a single laser source. We also demonstrate in vivo scanless two-photon imaging of multiple cells simultaneously up to 250 µm deep in the barrel cortex of head-fixed, anaesthetised mice.

Genetic engineering of natural light-gated ion channels has proven a powerful way to generate optogenetic tools for a wide variety of applications. In recent years, blue light-activated engineered anion conducting channelrhodopsins (eACRs) have been developed, improved, and were successfully applied in vivo. We asked whether the approaches used to create eACRs can be transferred to other well-characterized cation-conducting channelrhodopsins (CCRs) to obtain eACRs with a broad spectrum of biophysical properties. We generated 22 variants using two conversion strategies applied to 11 CCRs and screened them for membrane expression, photocurrents and anion selectivity. We obtained two novel eACRs, Phobos and Aurora, with blue- and red-shifted action spectra and photocurrents similar to existing eACRs. Furthermore, step-function mutations greatly enhanced the cellular operational light sensitivity due to a slowed-down photocycle. These bistable eACRs can be reversibly toggled between open and closed states with brief light pulses of different wavelengths. All new eACRs reliably inhibited action potential firing in pyramidal CA1 neurons. In Drosophila larvae, eACRs conveyed robust and specific light-dependent inhibition of locomotion and nociception.

Abstract The recent advances in sophisticated optical techniques, coupled with two-photon sensitive genetic voltage indicators (GEVIs), have enabled in-depth voltage imaging in vivo at single spike and single-cell resolution. To date, these results have been only achieved using ASAP-type sensors, as the complex photocycle of rhodopsin-based voltage indicators posed challenges for their two-photon use, restricting their application to one-photon approaches. In this work, we demonstrate that rhodopsin-based GEVIs (FRET-opsin) can be used under two-photon illumination when their peculiar light intensity dependence of kinetics and sensitivity are considered. We rationally engineer a fully genetically-encoded, rhodopsin-based voltage indicator with the brightest known fluorophore AaFP1, Jarvis, and demonstrate its utility under both one- and two-photon illumination. We also showed two-photon usability of the similar FRET-opsin sensor pAce. Our comparison of 2P scanless with fast 2P scanning illumination revealed that the latter approach is less suitable for this class of indicators and, on the contrary, both sensors responded well when scanless approaches were used. Furthermore, utilising Jarvis, we demonstrated high-fidelity, high-SNR action potential detection at kilohertz-imaging rates both in mouse hippocampal slices and in zebrafish larvae. To the best of our knowledge, this study represents the first report of a fully genetically-encoded rhodopsin-based voltage indicator for high contrast action potential detection under two-photon illumination in vitro and in vivo .