The origin and mechanisms of human interictal epileptic discharges remain unclear. Here, we describe a spontaneous, rhythmic activity initiated in the subiculum of slices from patients with temporal lobe epilepsy. Synchronous events were similar to interictal discharges of patient electroencephalograms. They were suppressed by antagonists of either glutamatergic or γ-aminobutyric acid (GABA)–ergic signaling. The network of neurons discharging during population events comprises both subicular interneurons and a subgroup of pyramidal cells. In these pyramidal cells, GABAergic synaptic events reversed at depolarized potentials. Depolarizing GABAergic responses in neurons downstream to the sclerotic CA1 region contribute to human interictal activity.

Ultrafast ultrasonic imaging is a rapidly developing field based on the unfocused transmission of plane or diverging ultrasound waves. This recent approach to ultrasound imaging leads to a large increase in raw ultrasound data available per acquisition. Bigger synchronous ultrasound imaging datasets can be exploited in order to strongly improve the discrimination between tissue and blood motion in the field of Doppler imaging. Here we propose a spatiotemporal singular value decomposition clutter rejection of ultrasonic data acquired at ultrafast frame rate. The singular value decomposition (SVD) takes benefits of the different features of tissue and blood motion in terms of spatiotemporal coherence and strongly outperforms conventional clutter rejection filters based on high pass temporal filtering. Whereas classical clutter filters operate on the temporal dimension only, SVD clutter filtering provides up to a four-dimensional approach (3D in space and 1D in time). We demonstrate the performance of SVD clutter filtering with a flow phantom study that showed an increased performance compared to other classical filters (better contrast to noise ratio with tissue motion between 1 and 10mm/s and axial blood flow as low as 2.6 mm/s). SVD clutter filtering revealed previously undetected blood flows such as microvascular networks or blood flows corrupted by significant tissue or probe motion artifacts. We report in vivo applications including small animal fUltrasound brain imaging (blood flow detection limit of 0.5 mm/s) and several clinical imaging cases, such as neonate brain imaging, liver or kidney Doppler imaging.

Hemodynamic changes in the brain are often used as surrogates of neuronal activity to infer the loci of brain activity. A major limitation of conventional Doppler ultrasound for the imaging of these changes is that it is not sensitive enough to detect the blood flow in small vessels where the major part of the hemodynamic response occurs. Here, we present a μDoppler ultrasound method able to detect and map the cerebral blood volume (CBV) over the entire brain with an important increase in sensitivity. This method is based on imaging the brain at an ultrafast frame rate (1 kHz) using compounded plane wave emissions. A theoretical model demonstrates that the gain in sensitivity of the μDoppler method is due to the combination of 1) the high signal-to-noise ratio of the gray scale images, resulting from the synthetic compounding of backscattered echoes; and 2) the extensive signal averaging enabled by the high temporal sampling of ultrafast frame rates. This μDoppler imaging is performed in vivo on trepanned rats without the use of contrast agents. The resulting images reveal detailed maps of the rat brain vascularization with an acquisition time as short as 320 ms per slice. This new method is the basis for a real-time functional ultrasound (fUS) imaging of the brain.

Summary Head-direction (HD) signals function as the brain’s internal compass. They are organized as an attractor, and anchor to the environment via visual landmarks. Here we examine how thalamic HD signals and visual landmark information from the retrosplenial cortex combine in the presubiculum. We find that monosynaptic excitatory connections from anterior thalamic nucleus and from retrosplenial cortex converge on single layer 3 pyramidal neurons in the dorsal portion of mouse presubiculum. Independent dual wavelength photostimulation of these inputs in slices leads to action potential generation preferentially for near-coincident inputs, indicating that layer 3 neurons can transmit a visually matched HD signal to medial entorhinal cortex. Layer 4 neurons, which innervate the lateral mammillary nucleus, form a second step in the association of HD and landmark signals. They receive little direct input from thalamic and retrosplenial axons. We show that layer 4 cells are excited di-synaptically, transforming regular spiking activity into bursts of action potentials, and that their firing is enhanced by cholinergic agonists. Thus, a coherent sense of orientation involves projection specific translaminar processing in the presubiculum, where neuromodulation facilitates landmark updating of HD signals in the lateral mammillary nucleus.

Theta and gamma rhythms coordinate large cell assemblies during locomotion. Their spread across temporal and spatial scales makes them challenging to observe. Additionally, the metabolic cost of these oscillations and their contribution to neuroimaging signals remains elusive. To finely characterize neurovascular interactions in running rats, we monitored brain hemodynamics with functional ultrasound and hippocampal local field potentials in running rats. Theta rhythm and running speed were strongly coupled to brain hemodynamics in multiple structures, with delays ranging from 0.8 seconds to 1.8 seconds. Surprisingly, hemodynamics was also strongly modulated across trials within the same recording session: cortical hemodynamics sharply decreased after 5-10 runs, while hippocampal hemodynamics strongly and linearly potentiated, particularly in the CA regions. This effect occurred while running speed and theta activity remained constant, and was accompanied by increased power in hippocampal high-frequency oscillations (100-150 Hz). Our findings reveal distinct vascular subnetworks modulated across fast and slow timescales and suggest strong adaptation processes despite stereotyped behavior.

Perineuronal net (PNN) accumulation around parvalbumin-expressing (PV) inhibitory interneurons marks the closure of critical periods of high plasticity, whereas PNN removal reinstates juvenile plasticity in the adult cortex. Using targeted chemogenetic in vivo approaches in the adult mouse visual cortex, we found that transient electrical silencing of PV interneurons, directly or through inhibition of local excitatory neurons, induced PNN regression. Conversely, excitation of either neuron types did not reduce the PNN. We also observed that chemogenetically inhibited PV interneurons exhibited reduced PNN compared to their untransduced neighbors, and confirmed that single PV interneurons express multiple genes enabling cell-autonomous control of their own PNN density. Our results indicate that PNNs are dynamically regulated in the adult by PV neurons acting as sensors of their local microcircuit activities. PNN regulation provides individual PV neurons with an activitydependent mechanism to control the local remodeling of adult cortical circuits.

The presubiculum contains head direction cells that are crucial for spatial navigation. Here, we examined the connectivity and strengths of thalamic inputs to presubicular layer 3 neurons projecting to the medial entorhinal cortex in the mouse. We recorded pairs of projection neurons and interneurons while optogenetically stimulating afferent fibers from the anterior thalamic nuclei (ATN). Thalamic input differentially affects presubicular neurons: layer 3 pyramidal neurons and fast-spiking parvalbumin expressing (PV) interneurons are directly and monosynaptically activated, with depressing dynamics, while somatostatin (SST) expressing interneurons are indirectly excited, during repetitive ATN activity. This arrangement ensures that the thalamic excitation of layer 3 cells is often followed by disynaptic inhibition. Feed-forward inhibition is largely mediated by PV interneurons which have a high probability of connection to presubicular pyramidal cells. Our data point to a specific role of presubicular microcircuits in shaping thalamic head-direction signals transmitted to medial entorhinal cortex: Short-latency PV cell activation may enforce temporally precise head direction tuning during fast turns. However, depression at ATN-PV synapses during repeated activation tends to facilitate pyramidal cell firing when head direction is maintained. Operations performed in presubicular layer 3 circuits seem well-adapted for spatial fine-tuning of head direction signals sent to the medial entorhinal cortex.

Orientation in space is represented in specialized brain circuits. Persistent head direction signals are transmitted from anterior thalamus to the presubiculum, but the identity of the presubicular target neurons, their connectivity and function in local microcircuits are unknown. Here we examine how thalamic afferents recruit presubicular principal neurons and Martinotti interneurons and the ensuing synaptic interactions between these cells. Pyramidal neuron activation of Martinotti cells in superficial layers is strongly facilitating such that high frequency head directional stimulation efficiently unmutes synaptic excitation. Martinotti cell feedback plays a dual role: precisely timed spikes may not inhibit the firing of in-tune head direction cells, while exerting lateral inhibition. Autonomous attractor dynamics emerge from a modeled network implementing wiring motifs and timing sensitive synaptic interactions in the pyramidal - Martinotti cell feedback loop. This inhibitory microcircuit is therefore tuned to refine and maintain head direction information in the presubiculum.