Synapses are asymmetric cellular adhesions that are critical for nervous system development and function, but the mechanisms that induce their formation are not well understood. We have previously identified thrombospondin as an astrocyte-secreted protein that promotes central nervous system (CNS) synaptogenesis. Here, we identify the neuronal thrombospondin receptor involved in CNS synapse formation as alpha2delta-1, the receptor for the anti-epileptic and analgesic drug gabapentin. We show that the VWF-A domain of alpha2delta-1 interacts with the epidermal growth factor-like repeats common to all thrombospondins. alpha2delta-1 overexpression increases synaptogenesis in vitro and in vivo and is required postsynaptically for thrombospondin- and astrocyte-induced synapse formation in vitro. Gabapentin antagonizes thrombospondin binding to alpha2delta-1 and powerfully inhibits excitatory synapse formation in vitro and in vivo. These findings identify alpha2delta-1 as a receptor involved in excitatory synapse formation and suggest that gabapentin may function therapeutically by blocking new synapse formation.

Patterns of synaptic connections in the visual system are remarkably precise. These connections dictate the receptive field properties of individual visual neurons and ultimately determine the quality of visual perception. Spontaneous neural activity is necessary for the development of various receptive field properties and visual feature maps. In recent years, attention has shifted to understanding the mechanisms by which spontaneous activity in the developing retina, lateral geniculate nucleus, and visual cortex instruct the axonal and dendritic refinements that give rise to orderly connections in the visual system. Axon guidance cues and a growing list of other molecules, including immune system factors, have also recently been implicated in visual circuit wiring. A major goal now is to determine how these molecules cooperate with spontaneous and visually evoked activity to give rise to the circuits underlying precise receptive field tuning and orderly visual maps.

Motion detection is an essential component of visual processing. On-Off direction-selective retinal ganglion cells (On-Off DSGCs) detect objects moving along specific axes of the visual field due to their precise retinal circuitry. The brain circuitry of On-Off DSGCs, however, is largely unknown. We report a mouse with GFP expressed selectively by the On-Off DSGCs that detect posterior motion (On-Off pDSGCs), allowing two-photon targeted recordings of their light responses and delineation of their complete map of central connections. On-Off pDSGCs project exclusively to the dorsal lateral geniculate nucleus and superior colliculus and in both targets form synaptic lamina that are separate from a lamina corresponding to non-DSGCs. Thus, individual On-Off DSGC subtypes are molecularly distinct and establish circuits that map specific qualities of directional motion to dedicated subcortical areas. This suggests that each RGC subtype represents a unique parallel pathway whose synaptic specificity in the retina is recapitulated in central targets.

The thalamus is crucial in determining the sensory information conveyed to cortex. In the visual system, the thalamic lateral geniculate nucleus (LGN) is generally thought to encode simple center-surround receptive fields, which are combined into more sophisticated features in cortex, such as orientation and direction selectivity. However, recent evidence suggests that a more diverse set of retinal ganglion cells projects to the LGN. We therefore used multisite extracellular recordings to define the repertoire of visual features represented in the LGN of mouse, an emerging model for visual processing. In addition to center-surround cells, we discovered a substantial population with more selective coding properties, including direction and orientation selectivity, as well as neurons that signal absence of contrast in a visual scene. The direction and orientation selective neurons were enriched in regions that match the termination zones of direction selective ganglion cells from the retina, suggesting a source for their tuning. Together, these data demonstrate that the mouse LGN contains a far more elaborate representation of the visual scene than current models posit. These findings should therefore have a significant impact on our understanding of the computations performed in mouse visual cortex.

Understanding the neural basis of visual perception is a long-standing fundamental goal of neuroscience. Historically, most vision studies were carried out on humans, macaques and cats. Over the past 5 years, however, a growing number of researchers have begun using mice to parse the mechanisms underlying visual processing; the rationale is that, despite having relatively poor acuity, mice are unmatched in terms of the variety and sophistication of tools available to label, monitor and manipulate specific cell types and circuits. In this review, we discuss recent advances in understanding the mouse visual system at the anatomical, receptive field and perceptual level, focusing on the opportunities and constraints those features provide toward the goal of understanding how vision works.

How specific features in the environment are represented within the brain is an important unanswered question in neuroscience. A subset of retinal neurons, called direction-selective ganglion cells (DSGCs), are specialized for detecting motion along specific axes of the visual field. Despite extensive study of the retinal circuitry that endows DSGCs with their unique tuning properties, their downstream circuitry in the brain and thus their contribution to visual processing has remained unclear. In mice, several different types of DSGCs connect to the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN), the visual thalamic structure that harbours cortical relay neurons. Whether direction-selective information computed at the level of the retina is routed to cortical circuits and integrated with other visual channels, however, is unknown. Here we show that there is a di-synaptic circuit linking DSGCs with the superficial layers of the primary visual cortex (V1) by using viral trans-synaptic circuit mapping and functional imaging of visually driven calcium signals in thalamocortical axons. This circuit pools information from several types of DSGCs, converges in a specialized subdivision of the dLGN, and delivers direction-tuned and orientation-tuned signals to superficial V1. Notably, this circuit is anatomically segregated from the retino-geniculo-cortical pathway carrying non-direction-tuned visual information to deeper layers of V1, such as layer 4. Thus, the mouse harbours several functionally specialized, parallel retino-geniculo-cortical pathways, one of which originates with retinal DSGCs and delivers direction- and orientation-tuned information specifically to the superficial layers of the primary visual cortex. These data provide evidence that direction and orientation selectivity of some V1 neurons may be influenced by the activation of DSGCs.

Our understanding of how mammalian sensory circuits are organized and develop has long been hindered by the lack of genetic markers of neurons with discrete functions. Here, we report a transgenic mouse selectively expressing GFP in a complete mosaic of transient OFF-alpha retinal ganglion cells (tOFF-alphaRGCs). This enabled us to relate the mosaic spacing, dendritic anatomy, and electrophysiology of these RGCs to their complete map of projections in the brain. We find that tOFF-alphaRGCs project exclusively to the superior colliculus (SC) and dorsal lateral geniculate nucleus and are restricted to a specific laminar depth within each of these targets. The axons of tOFF-alphaRGC are also organized into columns in the SC. Both laminar and columnar specificity develop through axon refinement. Disruption of cholinergic retinal waves prevents the emergence of columnar- but not laminar-specific tOFF-alphaRGC connections. Our findings reveal that in a genetically identified sensory map, spontaneous activity promotes synaptic specificity by segregating axons arising from RGCs of the same subtype.

Vision is the sense humans rely on most to navigate the world, make decisions, and perform complex tasks. Understanding how humans see thus represents one of the most fundamental and important goals of neuroscience. The use of the mouse as a model for parsing how vision works at a fundamental level started approximately a decade ago, ushered in by the mouse's convenient size, relatively low cost, and, above all, amenability to genetic perturbations. In the course of that effort, a large cadre of new and powerful tools for in vivo labeling, monitoring, and manipulation of neurons were applied to this species. As a consequence, a significant body of work now exists on the architecture, function, and development of mouse central visual pathways. Excitingly, much of that work includes causal testing of the role of specific cell types and circuits in visual perception and behavior-something rare to find in studies of the visual system of other species. Indeed, one could argue that more information is now available about the mouse visual system than any other sensory system, in any species, including humans. As such, the mouse visual system has become a platform for multilevel analysis of the mammalian central nervous system generally. Here we review the mouse visual system structure, function, and development literature and comment on the similarities and differences between the visual system of this and other model species. We also make it a point to highlight the aspects of mouse visual circuitry that remain opaque and that are in need of additional experimentation to enrich our understanding of how vision works on a broad scale.

Axons in the mammalian CNS fail to regenerate after injury. Here we show that if the activity of mouse retinal ganglion cells (RGCs) is increased by visual stimulation or using chemogenetics, their axons regenerate. We also show that if enhancement of neural activity is combined with elevation of the cell-growth-promoting pathway involving mammalian target of rapamycin (mTOR), RGC axons regenerate long distances and re-innervate the brain. Analysis of genetically labeled RGCs revealed that this regrowth can be target specific: RGC axons navigated back to their correct visual targets and avoided targets incorrect for their function. Moreover, these regenerated connections were successful in partially rescuing a subset of visual behaviors. Our findings indicate that combining neural activity with activation of mTOR can serve as powerful tool for enhancing axon regeneration, and they highlight the remarkable capacity of CNS neurons to re-establish accurate circuit connections in adulthood.