Abstract In addition to its well-known contributions to motor function, the cerebellum is involved in emotional regulation, anxiety, and affect 1-4 . We found that suppressing the firing of cerebellar Purkinje cells (PCs) rapidly excites forebrain areas that could contribute to such functions (including the amygdala, basal forebrain, and septum), but that the classic cerebellar outputs, the deep cerebellar nuclei (DCN), do not project to these forebrain regions. Here we show that PCs directly inhibit parabrachial nuclei (PBN) neurons that project to and influence numerous forebrain regions in a manner distinct from the DCN pathway. We also found that the PBN and DCN output pathways differentially influence behavior: suppressing the PC to PBN pathway is aversive and does not affect the speed of movement, whereas suppressing the PC to DCN pathway is not aversive and reduces speed. Molecular profiling shows that PCs inhibit numerous types of PBN neurons that control diverse nonmotor behaviors 5-9 . Therefore, the PBN pathway allows the cerebellum to regulate activity in many forebrain regions and may be an important substrate for nonmotor disorders related to cerebellar dysfunction.

Purkinje cell (PC) synapses onto cerebellar nuclei (CbN) neurons convey signals from the cerebellar cortex to the rest of the brain. PCs are inhibitory neurons that spontaneously fire at high rates, and many uniform sized PC inputs are thought to converge onto each CbN neuron to suppress or eliminate firing. Leading theories maintain that PCs encode information using either a rate code, or by synchrony and precise timing. Individual PCs are thought to have limited influence on CbN neuron firing. Here, we find that single PC to CbN synapses are highly variable in size, and using dynamic clamp and modelling we reveal that this has important implications for PC-CbN transmission. Individual PC inputs regulate both the rate and timing of CbN firing. Large PC inputs strongly influence CbN firing rates and transiently eliminate CbN firing for several milliseconds. Remarkably, the refractory period of PCs leads to a brief elevation of CbN firing prior to suppression. Thus, PC-CbN synapses are suited to concurrently convey rate codes, and generate precisely-timed responses in CbN neurons. Variable input sizes also elevate the baseline firing rates of CbN neurons by increasing the variability of the inhibitory conductance. Although this reduces the relative influence of PC synchrony on the firing rate of CbN neurons, synchrony can still have important consequences, because synchronizing even two large inputs can significantly increase CbN neuron firing. These findings may be generalized to other brain regions with highly variable sized synapses.

Climbing fibers (CFs) from the inferior olive (IO) provide strong excitatory inputs onto the dendrites of cerebellar Purkinje cells (PC), and trigger distinctive responses known as complex spikes (CSs). We find that in awake, behaving mice, a CS in one PC suppresses conventional simple spikes (SSs) in neighboring PCs for several milliseconds. This involves a novel form of ephaptic coupling, in which an excitatory synapse nonsynaptically inhibits neighboring cells by generating large negative extracellular signals near their dendrites. The distance dependence of CS-SS ephaptic signaling, combined with the known divergence of CF synapses made by IO neurons, allows a single IO neuron to influence the output of the cerebellum by synchronously suppressing the firing of potentially over one hundred PCs. Optogenetic studies in vivo and dynamic clamp studies in slice indicate that such brief PC suppression can effectively promote firing in neurons in the deep cerebellar nuclei and motor thalamus.

Although the cerebellum is traditionally associated with balance and motor function, it also plays wider roles in affective and cognitive behaviors. Evidence suggests that the cerebellar vermis may regulate aggressive behavior, though the cerebellar circuits and patterns of activity that influence aggression remain unclear. We used optogenetic methods to bidirectionally modulate the activity of spatially-delineated cerebellar Purkinje cells to evaluate the impact on aggression in mice. Increasing Purkinje cell activity in the vermis significantly reduced the frequency of attacks in a resident-intruder assay. Reduced aggression was not a consequence of impaired motor function, because optogenetic stimulation did not alter motor performance. In complementary experiments, optogenetic inhibition of Purkinje cells in the vermis increased the frequency of attacks. These results establish Purkinje cell activity in the cerebellar vermis regulates aggression, and further support the importance of the cerebellum in driving affective behaviors that could contribute to neurological disorders.