Abstract Significance In vivo imaging and electrophysiology are powerful tools to explore neuronal function that each offer unique complementary information with advantages and limitations. Capturing both data types from the same neural population in the freely moving animal would allow researchers to take advantage of the capabilities of both modalities and further understand how they relate to each other. Aim Here we present a head-mounted neural implant suitable for in vivo two-photon imaging of neuronal activity with simultaneous extracellular electrical recording in head-fixed or freely moving animals. Approach A GRIN lens-based head-mounted neural implant with extracellular electrical recording provided by tetrodes on the periphery of the GRIN lens was chronically implanted. The design of the neural implant allows for recording from head-fixed animals, as well as freely moving animals by coupling the imaging system to a coherent imaging fiber bundle. Results We demonstrate simultaneous two-photon imaging of GCaMP and extracellular electrophysiology of neural activity in awake head-fixed, and freely moving mice. Using the collected information, we perform correlation analysis to reveal positive correlation between optical and local field potential recordings. Conclusion Simultaneously recording neural activity using both optical and electrical methods provides complementary information from each modality. Designs that can provide such bimodal recording in freely moving animals allow for the investigation of neural activity underlying a broader range of behavioral paradigms.

The generation of new myelin-forming oligodendrocytes in the adult CNS is critical for cognitive function and regeneration following injury. Oligodendrogenesis varies between gray and white matter regions suggesting that local cues drive regional differences in myelination and the capacity for regeneration. Yet, the determination of regional variability in oligodendrocyte cell behavior is limited by the inability to monitor the dynamics of oligodendrocytes and their transcriptional subpopulations in white matter of the living brain. Here, we harnessed the superior imaging depth of three-photon microscopy to permit long-term, longitudinal in vivo three-photon imaging of an entire cortical column and underlying subcortical white matter without cellular damage or reactivity. Using this approach, we found that the white matter generated substantially more new oligodendrocytes per volume compared to the gray matter, yet the rate of population growth was proportionally higher in the gray matter. Following demyelination, the white matter had an enhanced population growth that resulted in higher oligodendrocyte replacement compared to the gray matter. Finally, deep cortical layers had pronounced deficits in regenerative oligodendrogenesis and restoration of the MOL5/6-positive oligodendrocyte subpopulation following demyelinating injury. Together, our findings demonstrate that regional microenvironments regulate oligodendrocyte population dynamics and heterogeneity in the healthy and diseased brain.

Miniaturized microscopes for monitoring neural activity are an indispensable tool for neuroscience research. We present a novel MEMS based miniature microscope with patterned optogenetic stimulation capabilities enabling cell-specific 2-photon optogenetics and 2-photon imaging.

ABSTRACT Mice navigate an odor plume with a complex spatiotemporal structure in the dark to find the source of odorants. This article describes a protocol to monitor behavior and record Ca 2+ transients in dorsal CA1 stratum pyramidale neurons in hippocampus (dCA1) in mice navigating an odor plume in a 50 cm x 50 cm x 25 cm odor arena. An epifluorescence miniscope focused through a GRIN lens imaged Ca 2+ transients in dCA1 neurons expressing the calcium sensor GCaMP6f in Thy1-GCaMP6f mice. The paper describes the behavioral protocol to train the mice to perform this odor plume navigation task in an automated odor arena. The methods include a step-by-step procedure for the surgery for GRIN lens implantation and baseplate placement for imaging GCaMP6f in CA1. The article provides information on real-time tracking of the mouse position to automate the start of the trials and delivery of a sugar water reward. In addition, the protocol includes information on using of an interface board to synchronize metadata describing the automation of the odor navigation task and frame times for the miniscope and a digital camera tracking mouse position. Moreover, the methods delineate the pipeline used to process GCaMP6f fluorescence movies by motion correction using NorMCorre followed by identification of regions of interest with EXTRACT. Finally, the paper describes an artificial neural network approach to decode spatial paths from CA1 neural ensemble activity to predict mouse navigation of the odor plume. SUMMARY This protocol describes how to investigate the brain-behavior relationship in hippocampal CA1 in mice navigating an odor plume. This article provides a step-by-step protocol, including the surgery to access imaging of the hippocampus, behavioral training, miniscope GCaMP6f recording and processing of the brain and behavioral data to decode the mouse position from ROI neural activity.

We used two-photon microscopy to study the role of ensembles of cerebellar molecular layer interneurons (MLIs) in a go-no go task where mice obtain a sugar water reward if they lick a spout in the presence of the rewarded odorant and avoid a time out when they refrain from licking for the unrewarded odorant. In naive animals the MLI responses did not differ between the odorants. With learning, the rewarded odorant elicited a large increase in MLI calcium responses, and the identity of the odorant could be decoded from the differential response. Importantly, MLIs switched odorant responses when the valence of the stimuli was reversed. Finally, mice took a longer time to refrain from licking in the presence of the unrewarded odorant and had difficulty becoming proficient when MLIs were inhibited by chemogenetic intervention. Our findings support a role for MLIs in learning valence in the cerebellum.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Targeting specifics subsets of peripheral pathways of the autonomic nervous system will enable new avenues to study organ control and develop new disease therapies. Vagus nerve stimulation (VNS) has shown many therapeutic benefits but current approaches involve imprecise electrical stimulation that gives rise to adverse effects, and the functionally relevant pathways are poorly understood. One method to overcome these limitations is the use of optogenetic techniques, which facilitate highly specific neural communication with light-sensitive actuators (opsins). Opsins can be targeted to cell populations of interest based on the location of viral delivery and genetic control of expression. Here, we tested whether holographic photostimulation of subsets of axons of the cervical vagus nerve that innervate the heart can be used to modulate cardiac function. Viral injection of retrograde adeno-associated virus (rAAV2-retro) in the heart resulted in robust, primarily afferent, opsin reporter expression in the vagus nerve, nodose ganglion, and brainstem. Selective holographic photostimulation of axons resulted in changes in heart rate, surface cardiac electrogram, and respiratory responses that were different from responses elicited by whole nerve photostimulation.

Hippocampal neural activity encodes for external cues and their variable temporal relationships, which is thought to be necessary to construct maps of sequential experiences. Here we used multiphoton microscopy to image neural activity in pyramidal cells of dorsal CA1 (dCA1) in mice undergoing go-no go associative learning. We found that pyramidal cells responded differentially to the rewarded and unrewarded stimuli. Most pyramidal cells responded to the valence of the stimuli (is the stimulus rewarded?) and some cells responded to stimulus identity. The stimulus was decoded accurately from the activity of the neuronal ensemble within each session, and decoding accuracy increased substantially as the animal learned to differentiate the stimuli. Decoding the stimulus from individual pyramidal cell activity revealed time-tiling of the time for discrimination of the stimuli. This time-tiled representation of stimulus divergence in dCA1 by sequential neural dynamics likely constitutes a map used for decision-making in associative learning.

We present a miniature head mounted two-photon fiber-coupled microscope (2P-FCM) for neuronal imaging with active axial focusing enabled using a miniature electrowetting lens. Full three-dimensional two-photon imaging of GCaMP6s showing individual neuron activity in multiple focal planes was achieved in a freely-moving mouse. Two-color simultaneous imaging of GFP and tdTomato fluorescence is also demonstrated. Additionally, dynamic control of the axial scanning of the electrowetting lens allows tilting of the focal plane enabling cells in multiple focal planes to be imaged simultaneously. Two-photon imaging allows increased penetration depth in tissue yielding a working distance of 450 μm with an additional 180 μm of active axial focusing. The objective NA is 0.45 with a lateral resolution of 1.8 μm, an axial resolution of 10 μm, and a field-of-view of 240 μm diameter. The 2P-FCM has a weight of only ~2.5 g and is capable of repeatable and stable head-attachment. The 2P-FCM with dynamic axial scanning provides a new capability to record from functionally distinct neuronal layers, opening new opportunities in neuroscience research.

Significance Three-photon (3P) microscopy significantly increases the depth and resolution of in vivo imaging due to decreased scattering and nonlinear optical sectioning. Simultaneous excitation of multiple fluorescent proteins is essential to study multicellular interactions and dynamics in the intact brain. Aim We characterized the excitation laser pulses at a range of wavelengths for 3P microscopy, and then explored the application of tdTomato or mScarlet and EGFP for dual-color single-excitation structural 3P imaging deep in the living mouse brain. Approach We used frequency-resolved optical gating to measure the spectral intensity, phase, and retrieved pulse widths at a range of wavelengths. Then, we performed in vivo single wavelength-excitation 3P imaging in the 1225 - 1360 nm range deep in the mouse cerebral cortex to evaluate the performance of tdTomato or mScarlet in combination with EGFP. Results We find that tdTomato and mScarlet, expressed in oligodendrocytes and neurons respectively, have high signal-to-background in the 1300–1360 nm range, consistent with enhanced 3P cross sections. Conclusions These results suggest that a single excitation wavelength source is advantageous for multiple applications of dual-color brain imaging and highlight the importance of empirical characterization of individual fluorophores for 3P microscopy.