ABSTRACT Motor behavior results in widespread activation of the cerebral cortex. Therefore, fully understanding the cerebral cortex’s role in motor behavior requires a mesoscopic level description of the engaged cortical regions and their functional interactions. Mesoscopic imaging of Ca 2+ fluorescence through transparent polymer skulls implanted on transgenic Thy1-GCaMP6f mice reveals widespread activation of the cerebral cortex during locomotion, including not only in primary motor and somatosensory regions but also in secondary motor, retrosplenial, and visual cortices. Using the time series of Ca 2+ fluorescence from 28 regions (nodes) we found to be consistent across mice, we examined the changes in functional connectivity from rest to locomotion. At the initiation of locomotion, the most anterior nodes of the secondary motor cortex increase in correlation with other nodes, while other nodes decrease in correlation. Eigenvector centrality confirms these changes in functional connectivity. Directed Granger causality analysis reveals an increase in causal influence of anterior regions of secondary motor cortex on other dorsal cortical regions at the onset of locomotion. These results highlight the global changes in correlation, centrality, and causality occurring throughout the cerebral cortex between rest and locomotion and suggest that the premotor areas play an important role in organizing these changes.

Abstract The physiologic basis underlying the long-term consequences of repetitive, mild traumatic brain injury (mTBI) remains poorly understood. Mild traumatic brain injury often results in brief loss of consciousness, impaired attention and concentration, memory problems, impulsivity, and headache, without objective findings on clinical imaging or examination. The effects of mTBI can persist and become cumulative with repetitive injury, suggesting global alterations in cortical networks. Using transparent polymer skulls, we performed mesoscopic Ca 2+ imaging in mice to evaluate how repetitive mTBI alters patterns of neuronal interactions across the dorsal cerebral cortex. Spatial Independent Component Analysis (sICA) and Localized semi-Nonnegative Matrix Factorization (LocaNMF) were used to quantify changes in cerebral functional connectivity (FC). Repetitive, mild, controlled cortical impacts induce temporary neuroinflammatory responses, characterized by increased density of microglia exhibiting de-ramified morphology. These temporary neuro-inflammatory changes were not associated with compromised cognitive performance in the Barnes maze or motor function as assessed by rotarod. However, long-term alterations in functional connectivity were observed. Widespread, bilateral changes in FC occurred immediately following impact and persisted for up to 7 weeks, the duration of the experiment. Network alterations include decreases in global efficiency, clustering coefficient, and nodal strength, thereby disrupting functional interactions and information flow throughout the dorsal cerebral cortex. A subnetwork analysis shows the largest disruptions in FC were concentrated near the impact site. Therefore, repetitive mTBI induces a transient neuroinflammation, without alterations in cognitive or motor behavior, and a reorganized cortical network evidenced by the widespread, chronic alterations in cortical FC. Significance Statement More than 2.5 million individuals in the United States suffer minor traumatic brain injuries annually. Because these injuries are typically not associated with visible anatomic injuries or objective clinical findings, they were thought benign and fully recoverable. However, there is increasing awareness of the long-term deleterious consequences, particularly in patients who suffer repeated mTBI. Using long-term, mesoscopic neuronal Ca 2+ imaging to characterize the dorsal cerebral cortical connectome following repetitive mTBI, we show extensive, persistent changes in functional connectivity, not only at the site of injury but throughout the cortex. These findings provide new insights into the pathophysiology of mTBI.

ABSTRACT The stability and flexibility of the functional parcellation of the cerebral cortex is fundamental to how familiar and novel information is both represented and stored. We leveraged new advances in Ca 2+ sensors and microscopy to understand the dynamics of functional segmentation in the dorsal cerebral cortex. We performed wide-field Ca 2+ imaging in head-fixed mice and used spatial Independent Component Analysis (ICA) to identify independent spatial sources of Ca 2+ fluorescence. The imaging data were evaluated over multiple timescales and discrete behaviors including resting, walking, and grooming. When evaluated over the entire dataset, a set of template independent components (ICs) were identified that were common across behaviors. Template ICs were present across a range of timescales, from days to 30 seconds, although with lower occurrence probability at shorter timescales, highlighting the stability of the functional segmentation. Importantly, unique ICs emerged at the shorter duration timescales that could act to transiently refine the cortical network. When data were evaluated by behavior, both common and behavior-specific ICs emerged. Each behavior is composed of unique combinations of common and behavior-specific ICs. These observations suggest that cerebral cortical functional segmentation exhibits considerable spatial stability over time and behaviors while retaining the flexibility for task-dependent reorganization.