Abstract Genetically encoded fluorescent voltage indicators are ideally suited to reveal the millisecond-scale interactions among and between distinct, targeted cell populations. However, current indicator families lack the requisite sensitivity for in vivo multipopulation imaging. We describe high-performance green and red sensors, Ace-mNeon2 and VARNAM2, and their reverse response-polarity variants, pAce and pAceR. Our indicators enable 0.4-1 kHz voltage recordings from >50 neurons per field-of-view in awake mice and ∼30-min continuous imaging in flies. Using dual-polarity multiplexed imaging, we uncovered behavioral state-dependent interactions between distinct neocortical subclasses, as well as contributions to hippocampal field potentials from non-overlapping projection neuronal ensembles. By combining three mutually compatible indicators, we demonstrate concurrent triple-population voltage imaging. Our approach will empower investigations of the dynamic interplay between neuronal subclasses at single-spike resolution. One Sentence Summary A new suite of voltage sensors enables simultaneous cellular-resolution activity imaging from multiple, targeted neuron-types in awake animals.

ABSTRACT The Human 1.2-Mb AUTS2 locus on chromosome 7q11.22 encodes a 1259-aa full-length protein, and a 711-aa C-terminal isoform. Functions of these AUTS2 proteins are only partly known. The major traits found in patients displaying AUTS2 locus mutations are Intellectual Disabilities, microcephaly attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) (54%), and autistic traits. Furthermore, AUTS2 common variants were recently found associated to alcohol consumption and dyslexia using GWAS approaches. Auts2 localizes mainly in cell nuclei. We evidenced by super-resolution that Auts2 is present in dendritic spines. Auts2 interacts with Ttc3, the Akt2 E3 ligase, and negatively regulates Akt2 ubiquitination. Auts2 haploinsufficiency affects Akt/mTorc1 pathway with a decrease in AMPA and NMDA receptor subunits and in synaptic currents. Akt2 injection in postsynaptic neurons is sufficient to reverse changes in synaptic currents generated by Auts2 haploinsufficiency. Using chromosome engineering based on targeted meiotic recombination, we generated two mouse models with Auts2 locus deletion and duplication. Deleted Auts2 locus mice display stereotypies (rearing), perseveration and abnormal recognition memory. Duplicated Auts2 locus mice display similar perseveration and abnormal recognition memory but also a decrease in cued and contextual fear memory. Gene dosage induce changes in brain sub-region neuronal networks. In the thalamo-lateral amygdala pathway linked to cued fear memory, we found synaptic impairments linked to AMPA receptors, with a specific decrease in pAKT/total AKT ratio in duplicated Auts2 mice. Altogether, our study thereby provides a novel mechanistic and potentially therapeutic understanding of synaptic AKT/mTORC1 deregulated signaling and its related behavioral and cognitive phenotypes.

Chromosome 21 DYRK1A kinase has long been associated with a variety of psychiatric diseases including Down Syndrome. We previously showed that Dyrk1A interacts with SWI/SNF (SWItch/Sucrose Non-Fermentable) nucleosome remodeling complex inducing expression changes of genes encoding key neuronal proteins. However, the functional impact of this kinase at the synapse level remains unclear. We studied a mouse model that incorporated the YAC 152F7 (570 kb) encoding six chromosome 21 genes including DYRK1A. We found that DYRK1A Interacts with the key chromatin remodelers EP300 and CREBBP. Moreover, we observed changes in the transcriptional levels of genes encoding presynaptic proteins involved in glutamate vesicle exocytosis, namely Rims1, Munc13-1, Syn2, Rab3A. This result prompted us to investigate the two main forms of long-term potentiation (LTP) required for learning and memory: the (N-methyl d-aspartate) receptor-dependent postsynaptic form versus the glutamate release-dependent presynaptic form. Interestingly, extracellular electrophysiological recordings in hippocampal slices of the YAC mouse line revealed that only the presynaptic forms of plasticity were impacted, leaving the post-synaptic form of plasticity intact. To refine our findings, we used a mouse BAC 189N3 (152 kb) line that only triplicate the gene Dyrk1A. Again, we found that this presynaptic form of LTP is also impaired in this mouse line. This result demonstrates that abnormal up-regulation of Dyrk1A alone is sufficient to inhibit specifically the presynaptic forms of LTP. Altogether, our results suggest that impairment of DYRK1A gene dosage may impact memory precision, and therefore reinforce our mechanistic understanding of the cognitive impairment detected in this mouse model.

Fluorescent genetically encoded voltage indicators report transmembrane potentials of targeted cell-types. However, voltage-imaging instrumentation has lacked the sensitivity to track spontaneous or evoked high-frequency voltage oscillations in neural populations. Here we describe two complementary TEMPO voltage-sensing technologies that capture neural oscillations up to ~100 Hz. Fiber-optic TEMPO achieves ~10-fold greater sensitivity than prior photometry systems, allows hour-long recordings, and monitors two neuron-classes per fiber-optic probe in freely moving mice. With it, we uncovered cross-frequency-coupled theta- and gamma-range oscillations and characterized excitatory-inhibitory neural dynamics during hippocampal ripples and visual cortical processing. The TEMPO mesoscope images voltage activity in two cell-classes across a ~8-mm-wide field-of-view in head-fixed animals. In awake mice, it revealed sensory-evoked excitatory-inhibitory neural interactions and traveling gamma and 3-7 Hz waves in the visual cortex, and previously unreported propagation directions for hippocampal theta and beta waves. These technologies have widespread applications probing diverse oscillations and neuron-type interactions in healthy and diseased brains.