Abstract Task-switching is a fundamental cognitive ability that allows animals to update their knowledge of current rules or contexts. Detecting discrepancies between predicted and observed events is essential for this process. However, little is known about how the brain computes cognitive prediction-errors and whether neural prediction-error signals are causally related to task-switching behaviours. Here we trained mice to use a prediction-error to switch, in a single trial, between responding to the same stimuli using two distinct rules. Optogenetic silencing and un-silencing, together with widefield and two-photon calcium imaging revealed that the anterior cingulate cortex (ACC) was specifically required for this rapid task-switching, but only when it exhibited neural prediction-error signals. These prediction-error signals were projection-target dependent and were larger preceding successful behavioural transitions. An all-optical approach revealed a disinhibitory interneuron circuit required for successful prediction-error computation. These results reveal a circuit mechanism for computing prediction-errors and transitioning between distinct cognitive states.

Abstract Attentional modulation of sensory processing is a key feature of cognition, yet its neural circuit basis is poorly understood. A candidate mechanism is the disinhibition of pyramidal cells through vasoactive intestinal peptide (VIP) and somatostatin (SOM) positive interneurons. However, the interaction of attentional modulation and VIP-SOM disinhibition has never been directly tested. We used all-optical methods to bi-directionally manipulate VIP interneuron activity as mice performed an attention switching task. We measured the activity of VIP, SOM and parvalbumin (PV) positive interneurons and pyramidal neurons identified in the same tissue and found that although activity in all cell classes was modulated by both attention and VIP manipulation, their effects were orthogonal. Attention and VIP-SOM disinhibition relied on distinct patterns of changes in activity and reorganisation of interactions between inhibitory and excitatory cells. Circuit modelling revealed a precise network architecture consistent with multiplexing strong yet non-interacting modulations in the same neural population.

Abstract Task-switching is a fundamental cognitive ability that allows animals to update their knowledge of current rules or contexts. Detecting discrepancies between predicted and observed events is essential for this process. However, little is known about how the brain computes cognitive prediction-errors and whether neural prediction-error signals are causally related to task-switching behaviours. Here we trained mice to use a prediction-error to switch, in a single trial, between responding to the same stimuli using two distinct rules. Optogenetic silencing and un-silencing, together with widefield and two-photon calcium imaging revealed that the anterior cingulate cortex (ACC) was specifically required for this rapid task-switching, but only when it exhibited neural prediction-error signals. These prediction-error signals were projection-target dependent and were larger preceding successful behavioural transitions. An all-optical approach revealed a disinhibitory interneuron circuit required for successful prediction-error computation. These results reveal a circuit mechanism for computing prediction-errors and transitioning between distinct cognitive states.