Striatum, the input stage of the basal ganglia, is important for sensory-motor integration, initiation and selection of behaviour, as well as reward learning. Striatum receives glutamatergic inputs from mainly cortex and thalamus. In rodents, the striatal projection neurons (SPNs), giving rise to the direct and the indirect pathway (dSPNs and iSPNs, respectively), account for 95% of the neurons and the remaining 5% are GABAergic and cholinergic interneurons. Interneuron axon terminals as well as local dSPN and iSPN axon collaterals form an intricate striatal network. Following chronic dopamine depletion as in Parkinson9s disease (PD), both morphological and electrophysiological striatal neuronal features are altered. Our goal with this in-silico study is twofold: a) to predict and quantify how the intrastriatal network connectivity structure becomes altered as a consequence of the morphological changes reported at the single neuron level, and b) to investigate how the effective glutamate drive to the SPNs would need to be altered to account for the activity level seen in SPNs during PD. In summary we find that the richness of the connectivity motifs is significantly decreased during PD, while at the same time a substantial enhancement of the effective glutamatergic drive to striatum is present.

Abstract Striatum, the input stage of the basal ganglia, is important for sensory-motor integration, initiation and selection of behaviour, as well as reward learning. Striatum receives glutamatergic inputs from mainly cortex and thalamus. In rodents, the striatal projection neurons (SPNs), giving rise to the direct and the indirect pathway (dSPNs and iSPNs, respectively), account for 95% of the neurons and the remaining 5% are GABAergic and cholinergic interneurons. Interneuron axon terminals as well as local dSPN and iSPN axon collaterals form an intricate striatal network. Following chronic dopamine depletion as in Parkinson’s disease (PD), both morphological and electrophysiological striatal neuronal features are altered. Our goal with this in-silico study is twofold: a) to predict and quantify how the intrastriatal network connectivity structure becomes altered as a consequence of the morphological changes reported at the single neuron level, and b) to investigate how the effective glutamatergic drive to the SPNs would need to be altered to account for the activity level seen in SPNs during PD. In summary we find that the richness of the connectivity motifs is significantly decreased during PD, while at the same time a substantial enhancement of the effective glutamatergic drive to striatum is present.

Abstract Improvement of imaging quality has the potential to visualize previously unseen building blocks of the brain and is therefore one of the great challenges in neuroscience. Rapid development of new tissue clearing techniques in recent years have attempted to solve imaging compromises in thick brain samples, particularly for high resolution optical microscopy, where the clearing medium needs to match the refractive index of the objective immersion medium. These problems are exacerbated in insect tissue, where numerous (initially air-filled) tracheal tubes branching throughout the brain increase the scattering of light. To date, surprisingly few studies have systematically quantified the benefits of such clearing methods using objective transparency and tissue shrinkage measurements. In this study we compare a traditional and widely used insect clearing medium, methyl salicylate combined with permanent mounting in Permount (‘MS/P’) with several more recently applied clearing media that offer tunable refractive index ( n ): 2,2-thiodiethanol (TDE), ‘SeeDB2’ (in variants SeeDB2S & SeeDB2G matched to oil and glycerol immersion, n =1.52 & 1.47 respectively) and Rapiclear (also with n =1.52 & 1.47). We measured transparency and tissue shrinkage by comparing freshly dissected brains with cleared brains from dipteran flies, with or without addition of vacuum or ethanol pre-treatments (dehydration and rehydration) to evacuate air from the tracheal system. The results show that ethanol pre-treatment is very effective for improving transparency, regardless of the subsequent clearing medium, while vacuum treatment offers little measurable benefit. Ethanol pre-treated SeeDB2G and Rapiclear brains show much less shrinkage than using the traditional MS/P method. Furthermore, these newly developed media offer outstanding transparency compared to TDE and MS/P. Rapiclear protocols were less laborious compared to SeeDB2, but both offer sufficient transparency and refractive index tunability to permit super-resolution imaging of local volumes in whole mount brains from large insects, and even light-sheet microscopy. Although long-term permanency of Rapiclear stored samples remains to be established, our samples still showed good preservation of fluorescence after storage for more than a year at room temperature.

Abstract Dragonflies are highly skilled and successful aerial predators that are even capable of selectively attending to one target within a swarm. Detection and tracking prey is likely to be driven by small target motion detector (STMD) neurons identified from several insect groups. Prior work has shown that dragonfly STMD responses are facilitated by targets moving on a continuous path, enhancing the response gain at the present and predicted future location of targets. In this study, we combined detailed morphological data with computational modelling to test whether a combination of dendritic morphology combined with the nonlinear properties of NMDA receptors could explain these observations. We developed a hybrid neuronal model of neurons within the dragonfly optic lobe, which integrates numerical and morphological components. The model was able to generate potent facilitation for targets moving on continuous trajectories, including a localized spotlight of maximal sensitivity close to the last seen target location, as also measured during in vivo recordings. The model did not, however, include a mechanism capable of producing a traveling or spreading wave of facilitation. Our data support a strong role for the high dendritic density seen in the dragonfly neuron in enhancing non-linear facilitation. An alternative model based on morphology of an unrelated type of motion processing neuron from a dipteran fly required more than 3 times higher synaptic gain in order to elicit similar levels of facilitation, despite having only 20% fewer synapses. Our data supports a potential role for NMDA receptors in target tracking and also demonstrates the feasibility of combining biologically plausible dendritic computations with more abstract computational models for basic processing as used in earlier studies.