The ability to target and manipulate specific neuronal populations is crucial for understanding brain function. In this report, the authors describe a novel virus that restricts gene expression to telencephalic GABAergic interneurons, allowing for morphological visualization, activity monitoring and functional manipulation of interneurons in mice and in non-genetically tractable species. A fundamental impediment to understanding the brain is the availability of inexpensive and robust methods for targeting and manipulating specific neuronal populations. The need to overcome this barrier is pressing because there are considerable anatomical, physiological, cognitive and behavioral differences between mice and higher mammalian species in which it is difficult to specifically target and manipulate genetically defined functional cell types. In particular, it is unclear the degree to which insights from mouse models can shed light on the neural mechanisms that mediate cognitive functions in higher species, including humans. Here we describe a novel recombinant adeno-associated virus that restricts gene expression to GABAergic interneurons within the telencephalon. We demonstrate that the viral expression is specific and robust, allowing for morphological visualization, activity monitoring and functional manipulation of interneurons in both mice and non-genetically tractable species, thus opening the possibility to study GABAergic function in virtually any vertebrate species.

Abstract Neurons coordinate their activity to produce an astonishing variety of motor behaviors. Our present understanding of motor control has grown rapidly thanks to new methods for recording and analyzing populations of many individual neurons over time. In contrast, current methods for recording the nervous system’s actual motor output – the activation of muscle fibers by motor neurons – typically cannot detect the individual electrical events produced by muscle fibers during natural behaviors and scale poorly across species and muscle groups. Here we present a novel class of electrode devices (“Myomatrix arrays”) that record muscle activity at unprecedented resolution across muscles and behaviors. High-density, flexible electrode arrays allow for stable recordings from the muscle fibers activated by a single motor neuron, called a “motor unit”, during natural behaviors in many species, including mice, rats, primates, songbirds, frogs, and insects. This technology therefore allows the nervous system’s motor output to be monitored in unprecedented detail during complex behaviors across species and muscle morphologies. We anticipate that this technology will allow rapid advances in understanding the neural control of behavior and in identifying pathologies of the motor system.

Abstract Songbirds and humans share the ability to adaptively modify their vocalizations based on sensory feedback. Prior studies have focused primarily on the role that auditory feedback plays in shaping vocal output throughout life. In contrast, it is unclear whether and how non-auditory information drives vocal plasticity. Here, we first used a reinforcement learning paradigm to establish that non-auditory feedback can drive vocal learning in adult songbirds. We then assessed the role of a songbird basal ganglia-thalamocortical pathway critical to auditory vocal learning in this novel form of vocal plasticity. We found that both this circuit and its dopaminergic inputs are necessary for non-auditory vocal learning, demonstrating that this pathway is not specialized exclusively for auditory-driven vocal learning. The ability of this circuit to use both auditory and non-auditory information to guide vocal learning may reflect a general principle for the neural systems that support vocal plasticity across species.

Abstract High signal-to-noise ratio (SNR) electromyography (EMG) recordings are essential for identifying and analyzing single motor unit activity. While high-density electrodes allow for greater spatial resolution, the smaller electrode area translates to a higher impedance and lower SNR. In this study, we developed an implantable and flexible 3D microelectrode array (MEA) with low impedance that enables high-quality EMG recording. With polyimide micro-cones realized by standard photolithography process and PEDOT:PSS coating, this design can increase effective surface area by up to 250% and significantly improve electrical performance for electrode sites with various geometric surface areas, where the electrode impedance is at most improved by 99.3%. Acute EMG activity from mice was recorded by implanting the electrodes in vivo , and we were able to detect multiple individual motor units simultaneously and with high resolution (SNR ≫ 100). The charge storage capacity was measured to be 34.2 mC/cm 2 , indicating suitability of the electrodes for stimulation applications as well.

Dopamine is hypothesized to convey important error information in reinforcement learning tasks with explicit appetitive or aversive cues. However, during motor skill learning the only available feedback signal is typically an animal's evaluation of the sensory feedback arising from its own behavior, rather than any external reward or punishment. It has previously been shown that intact dopaminergic signaling from the ventral tegmental area / substantia nigra compacta complex (VTA/SNc) is necessary for vocal learning in response to an external aversive auditory cue in songbirds. However, the role of dopamine in learning in the absence of explicit external cues is still unclear. Here we used male Bengalese finches (Lonchura striata var. domestica) to test the hypothesis that dopamine signaling is necessary for self-evaluation driven sensorimotor learning. We combined 6-hydroxydopamine (6-OHDA) lesions of dopaminergic terminals within Area X, a songbird basal ganglia nucleus critical for vocal learning, with a headphones learning paradigm that shifted the birds' auditory feedback and compared their learning to birds without lesions. We found that 6-OHDA lesions affected song behavior in two ways. First, over a period of days lesioned birds systemically lowered their pitch regardless of the presence or absence of auditory errors. Second, 6-OHDA lesioned birds also displayed severe deficits in sensorimotor learning as measured by their adaptive change in pitch in response to the pitch-shifted auditory error. Our results suggest roles for dopamine both in motor production and in auditory error processing during vocal learning.

Abstract Recent developments in electrode technology have demonstrated the power of flexible microelectrode arrays (FMEAs) for measuring muscle activity at high resolution. We recently introduced the Myomatrix array, a FMEA optimized for measuring the activity of individual motor units (the collection of muscle fibers innervated by a single motor neuron) [1] in freely behaving animals. Although FMEAs are fundamentally changing the way EMG is acquired, the number of recording channels is limited by the size of the plug that interfaces with the digital amplifier hardware and the density of electrode connections on the array. Increasing EMG channel count and supporting electrophysiological studies in smaller animals depends on two seemingly incompatible goals: reducing device size while increasing the number of recording channels. The solution to this is to increase channel density, which is currently limited by requiring that separate headstage and FMEA components be used simultaneously. In our prior devices [1], each FMEA had a dedicated wire output for every electrode input, creating a channel density is 1 : 1. To improve this channel density, we have developed a novel device integrating a digital amplifier (bare-die RHD2216 chip, Intan, Inc. [6]) directly onto an FMEA. This new design reduces the device’s backend footprint by 74% and relocates the intan bare die from the headstage to the FMEA itself, creating a channel density of 1 : 3.2. Our methodology combines standard FMEA microfabrication with wire-bonding and surface-mounted components, enabling direct integration into a Serial Peripheral Interface (SPI) connection into the device itself, without any separate headstage. With this initial device we see a 1 : 3.2 channel density, but our method allows for using other bare die amplifiers (Intan, Inc., USA) for a channel density of 1 : 12.8. Our findings present a robust technique for chip embedding in custom FMEAs, applicable to in-vivo electrophysiology