Abstract The segregation of figures from the background is an important step in visual perception. In primary visual cortex, figures evoke stronger activity than backgrounds during a delayed phase of the neuronal responses, but it is unknown how this figure-ground modulation (FGM) arises and whether it is necessary for perception. Here we show, using optogenetic silencing in mice, that the delayed V1 response phase is necessary for figure-ground segregation. Neurons in higher visual areas also exhibit FGM and optogenetic silencing of higher areas reduced FGM in V1. In V1, figures elicited higher activity of vasoactive intestinal peptide-expressing (VIP) interneurons than the background, whereas figures suppressed somatostatin-positive interneurons, resulting in an increased activation of pyramidal cells. Optogenetic silencing of VIP neurons reduced FGM in V1, indicating that disinhibitory circuits contribute to FGM. Our results provide new insight in how lower and higher areas of the visual cortex interact to shape visual perception.

Abstract Neurophysiological studies depend on a reliable quantification of whether and when a neuron responds to stimulation. Simple methods to determine responsiveness require arbitrary parameter choices, such as binning size, while more advanced model-based methods require fitting and hyperparameter tuning. These parameter choices can change the results, which invites bad statistical practice and reduces the replicability. New recording techniques that yield increasingly large numbers of cells would benefit from a test for cell-inclusion that requires no manual curation. Here, we present the parameter-free ZETA-test, which outperforms t-tests, ANOVAs, and renewal-process-based methods by including more cells at a similar false-positive rate. We show that our procedure works across brain regions and recording techniques, including calcium imaging and Neuropixels data. Furthermore, in illustration of the method, we show in mouse visual cortex that 1) visuomotor-mismatch and spatial location are encoded by different neuronal subpopulations; and 2) optogenetic stimulation of VIP cells leads to early inhibition and subsequent disinhibition.

Abstract Detailed characterization of interneuron types in primary visual cortex (V1) has greatly contributed to understanding visual perception, yet the role of chandelier cells (ChCs) in visual processing remains poorly characterized. Using viral tracing we found that V1 ChCs predominantly receive monosynaptic input from local layer 5 pyramidal cells and higher-order cortical regions. Two-photon calcium imaging and convolutional neural network modelling revealed that ChCs are visually responsive but weakly selective for stimulus content. In mice running in a virtual tunnel, ChCs respond strongly to events known to elicit arousal, including locomotion and visuomotor mismatch. Repeated exposure of the mice to the virtual tunnel was accompanied by reduced visual responses of ChCs and structural plasticity of ChC boutons and axon initial segment length. Finally, ChCs only weakly inhibited pyramidal cells. These findings suggest that ChCs provide an arousal-related signal to layer 2/3 pyramidal cells that may modulate their activity and/or gate plasticity of their axon initial segments during behaviorally relevant events.

Abstract Imaging calcium signals in neurons of awake, behaving animals using single- or multi-photon microscopy facilitates the study of coding in large neural populations. Such experiments produce massive datasets requiring powerful methods to extract responses from hundreds of neurons. We present SpecSeg, a new open-source toolbox for 1) segmentation of regions of interest (ROIs) representing neuronal structures, 2) inspection and manual editing of ROIs, 3) neuropil correction and signal extraction and 4) matching of ROIs in sequential recordings. SpecSeg uses a novel method for ROI registration, based on temporal cross-correlations of low-frequency components derived by Fourier analysis, of each pixel with its neighbors. The approach is insightful and enables ROI detection around neurons or neurites. It works for single- (miniscope) and multi-photon microscopy data, eliminating the need for separate toolboxes. SpecSeg thus provides an efficient and user-friendly approach for analyzing calcium responses in neuronal structures imaged over prolonged periods of time.

Experience-dependent plasticity in the adult visual system is generally thought of as a cortical process. However, several recent studies have shown that perceptual learning or monocular deprivation can also induce plasticity in the adult dorsolateral geniculate nucleus (dLGN) of the thalamus. How plasticity in the thalamus and cortex interact in the adult visual system is ill understood. To assess the influence of thalamic plasticity on plasticity in primary visual cortex (V1), we made use of our previous finding that during the critical period, ocular dominance (OD) plasticity occurs in dLGN and requires thalamic synaptic inhibition. Using multielectrode recordings we find that this is also true in adult mice, and that in the absence of thalamic inhibition and plasticity, OD plasticity in adult V1 is absent. To study the influence of V1 on thalamic plasticity we silenced V1 and show that during the critical period, but not in adulthood, the OD shift in dLGN is partially caused by feedback from V1. We conclude that during adulthood, the thalamus plays an unexpectedly dominant role in experience-dependent plasticity in V1. Our findings highlight the importance of considering the thalamus as a potential source of plasticity in learning events that are typically thought of as cortical processes.

A lack of early visual experience causes pronounced auditory and visual cross-modal changes. However, the visual cortical region-specific cross-modal organization down to the single neuron level remains unknown. Here we used two-photon calcium imaging in awake mice that were reared in darkness from birth to map auditory and visual responsiveness of single neurons. We targeted neurons in the primary visual cortex (V1) and higher visual cortical areas (HVAs) that resemble the ventral and dorsal stream regions. We found that lateral dorsal stream areas showed a pronounced increase in auditory response strength, even after accounting for tone-induced whisker movement. Strikingly, this was accompanied by a decreased visual drive, measured in number of recruited neurons and response strength, although these visual effects were more widespread across cortical regions. Together, these results provide a comprehensive functional map of auditory and visual cross-modal changes after a lack of early visual experience across the mouse visual cortex. Moreover, our results suggest that a lack of visual drive of dorsal stream regions might provide an opportunity for remaining senses to take over.

Neuronal circuits are shaped by experience. This happens much more readily in the young compared to the adult brain. The unique learning capacity of the young brain is regulated through postnatal critical periods, during which the ability of neuronal networks to re-wire is greatly enhanced. Endocannabinoids, which signal through the cannabinoid CB1 receptor (CB1R), regulate several forms of neuronal plasticity. In the developing neocortex, CB1Rs play a key role in the maturation of inhibitory circuits. For example, interfering with CB1R signaling during development disrupts inhibitory maturation in the prefrontal cortex. In developing primary visual cortex (V1), endocannabinoid-mediated plasticity at inhibitory synapses regulates the maturation of inhibitory synaptic transmission, shifting synapses from an immature state characterized by strong short-term depression to a mature state with reduced short-term depression. This maturation step correlates with the timing of the critical period. While CB1Rs were originally thought to reside mainly on presynaptic axon terminals, recent studies have highlighted an unexpected role for astrocytic CB1Rs in endocannabinoid mediated plasticity. Here, we investigate the impact of cell-type specific removal of CB1Rs from interneurons or astrocytes on development of inhibitory synapses and network plasticity of V1. We show that removing CB1Rs from astrocytes interferes with maturation of inhibitory synaptic transmission in V1. In addition, it strongly reduces ocular dominance (OD) plasticity during the critical period. In contrast, removing interneuron CB1Rs leaves these processes intact. Our results reveal an unexpected role of astrocytic CB1Rs in critical period plasticity in V1, and highlight the involvement of glial cells in the plasticity and synaptic maturation of sensory circuits.