Research in neuroscience increasingly relies on the mouse, a mammalian species that affords unparalleled genetic tractability and brain atlases. Here, we introduce high-yield methods for probing mouse visual decisions. Mice are head-fixed, facilitating repeatable visual stimulation, eye tracking, and brain access. They turn a steering wheel to make two alternative choices, forced or unforced. Learning is rapid thanks to intuitive coupling of stimuli to wheel position. The mouse decisions deliver high-quality psychometric curves for detection and discrimination and conform to the predictions of a simple probabilistic observer model. The task is readily paired with two-photon imaging of cortical activity. Optogenetic inactivation reveals that the task requires mice to use their visual cortex. Mice are motivated to perform the task by fluid reward or optogenetic stimulation of dopamine neurons. This stimulation elicits a larger number of trials and faster learning. These methods provide a platform to accurately probe mouse vision and its neural basis.

Progress in science requires standardized assays whose results can be readily shared, compared, and reproduced across laboratories. Reproducibility, however, has been a concern in neuroscience, particularly for measurements of mouse behavior. Here we show that a standardized task to probe decision-making in mice produces reproducible results across multiple laboratories. We designed a task for head-fixed mice that combines established assays of perceptual and value-based decision making, and we standardized training protocol and experimental hardware, software, and procedures. We trained 140 mice across seven laboratories in three countries, and we collected 5 million mouse choices into a publicly available database. Learning speed was variable across mice and laboratories, but once training was complete there were no significant differences in behavior across laboratories. Mice in different laboratories adopted similar reliance on visual stimuli, on past successes and failures, and on estimates of stimulus prior probability to guide their choices. These results reveal that a complex mouse behavior can be successfully reproduced across multiple laboratories. They establish a standard for reproducible rodent behavior, and provide an unprecedented dataset and open-access tools to study decision-making in mice. More generally, they indicate a path towards achieving reproducibility in neuroscience through collaborative open-science approaches.

In the trichromatic primate retina, the ‘midget’ retinal ganglion cell is the classical substrate for red-green color signaling, with a circuitry that enables antagonistic responses between long (L)- and medium (M)-wavelength sensitive cone inputs. Previous physiological studies show that some OFF midget ganglion cells may receive sparse input from short (S)-wavelength sensitive cones, but the effect of S-cone inputs on the chromatic tuning properties of such cells has been unexplored. Moreover, anatomical evidence for a synaptic pathway from S cones to OFF midget ganglion cells through OFF-midget bipolar cells remains ambiguous. In this study we address both questions for the macaque monkey retina. First, we used serial block-face electron microscopy (SBEM) to show that every S-cone in the parafoveal retina synapses principally with a single OFF-midget bipolar cell which in turn forms a private-line connection with an OFF midget ganglion cell. Second, we used patch electrophysiology to characterize the chromatic tuning of OFF midget ganglion cells in the near peripheral retina that receive combined input from L, M and S cones. These ‘S-OFF’ midget cells have a characteristic S-cone spatial signature, but demonstrate heterogeneous color properties due to variable strength of L, M, and S cone input across the receptive field. Together these findings strongly support the hypothesis that the OFF midget pathway is the major conduit for S-OFF signals in primate retina, and redefines the pathway as a chromatically complex substrate that encodes color signals beyond the classically recognized L vs. M and S vs. L+M cardinal mechanisms.Significance statement The first step of color processing in the visual pathway of primates occurs when signals from short- (S), middle- (M) and long- (L) wavelength sensitive cone types interact antagonistically within the retinal circuitry to create color-opponent pathways. The midget (L vs. M or ‘red-green’) and small bistratified (S vs. L+M, or ‘blue-yellow’) appear to provide the physiological origin of the cardinal axes of human color vision. Here we confirm the presence of an additional S-OFF midget circuit in the macaque monkey fovea with scanning block-face electron microscopy (SBEM) and show physiologically that a subpopulation of S-OFF midget cells combine S, L and M cone inputs along non-cardinal directions of color space, expanding the retinal role in color coding.

Research in neuroscience relies increasingly on the mouse, a mammalian species that affords unparalleled genetic tractability and brain atlases. Here we introduce high-yield methods for probing mouse visual decisions. Mice are head-fixed, which facilitates repeatable visual stimulation, eye tracking, and brain access. They turn a steering wheel to make two-alternative choices, forced or unforced. Learning is rapid thanks to intuitive coupling of stimuli to wheel position. The mouse decisions deliver high-quality psychometric curves for detection and discrimination, and conform to the predictions of a simple probabilistic observer model. The task is readily paired with two-photon imaging of cortical activity. Optogenetic inactivation reveals that the task requires the visual cortex. Mice are motivated to perform the task by fluid reward or optogenetic stimulation of dopaminergic neurons. This stimulation elicits larger number of trials and faster learning. These methods provide a platform to accurately probe mouse vision and its neural basis.

Abstract Frontal area MOs (secondary motor area) is a key brain structure in rodents for making decisions based on sensory evidence and on reward value. In behavioral tasks, its neurons can encode sensory stimuli, upcoming choices, expected rewards, ongoing actions, and recent outcomes. However, the information encoded, and the nature of the resulting code, may depend on the task being performed. We recorded MOs population activity using two-photon calcium imaging, in a task requiring mice to integrate sensory evidence with reward value. Mice turned a wheel to report the location of a visual stimulus following a delay period, to receive a reward whose size varied over trial blocks. MOs neurons encoded multiple task variables, but not all of those seen in other tasks. In the delay period, the MOs population strongly encoded the stimulus side but did not significantly encode the reward-size block. A correlation of MOs activity with upcoming choice could be explained by a common effect of stimulus on those two correlates. After the wheel turn and the feedback, the MOs population encoded choice side and choice outcome jointly and nonlinearly according to an exclusive-or (XOR) operation. This nonlinear operation would allow a downstream linear decoder to infer the correct choice side (i.e., the side that would have been rewarded) even on zero contrast trials, when there had been no visible stimulus. These results indicate that MOs neurons flexibly encode some but not all variables that determine behavior, depending on task. Moreover, they reveal that MOs activity can reflect a nonlinear combination of these behavioral variables, allowing simple linear inference of task events that would not have been directly observable.