ABSTRACT Early electrophysiological brain oscillations recorded in preterm babies and newborn rodents are initially mostly ignited by bottom-up sensorimotor activity and only later can detach from external inputs. This is a hallmark of most developing brain areas including the hippocampus, which in the adult brain, functions in integrating external inputs onto internal dynamics. Such developmental disengagement from external inputs is likely a fundamental step for the proper development of cognitive internal models. Despite its importance, the developmental timeline and circuit basis for this disengagement remain unknown. To address this issue, we have investigated the daily evolution of CA1 dynamics and underlying circuits during the first two postnatal weeks of mouse development using two-photon calcium imaging in non-anesthetized pups. We show that the first postnatal week ends with an abrupt shift in the representation of self-motion in CA1. Indeed, most CA1 pyramidal cells switch from activated to inhibited by self-generated movements at the end of the first postnatal week whereas the majority of GABAergic neurons remain positively modulated throughout this period. This rapid switch occurs within two days and follows the rapid anatomical and functional surge of local somatic GABAergic innervation. The observed change in dynamics is consistent with a two-population model undergoing a strengthening of inhibition. We propose that this abrupt developmental transition inaugurates the emergence of internal cognitive models.

Two-photon calcium imaging is now widely used to indirectly infer multi neuronal dynamics from changes in fluorescence of an indicator. However, state of the art computational tools are not optimized for the analysis of highly active neurons in densely packed regions such as the CA1 pyramidal layer of the hippocampus during early postnatal stages of development. Indeed, the reliable inference of single cell activity is not achieved by the latest analytical tools that often lack proper benchmark measurements. To meet this challenge, we first developed a graphical user interface allowing for a precise manual detection of all calcium transients from detected neurons based on the visualization of the calcium imaging movie. Then, we analyzed our movies using a convolutional neural network with an attention process and a bidirectional long-short term memory network. This method reaches human performance and offers a better F1 score than CaImAn to infer neural activity in the developing CA1 without any user intervention. Overall, DeepCINAC offers a simple, fast and flexible open-source toolbox for processing a wide variety of calcium imaging datasets while providing the tools to evaluate its performance.

Abstract The disruption of cortical assembly activity has been associated with anesthesia-induced loss of consciousness. However, information about the relationship between cortical assembly activity and the variations in consciousness associated with natural vigilance states is currently lacking. To address this, we performed vigilance state-specific clustering analysis on 2-photon calcium imaging data from sensorimotor cortex in combination with global EEG microstate analysis derived from multi-EEG signals obtained from widespread cortical locations. Our analysis revealed no difference in the structure of assembly activity during quiet wakefulness (QW), NREMs, or REMs, despite the latter two vigilance states being associated with significantly reduced levels of consciousness relative to QW. However, we found a significant coordination between global EEG microstate dynamics and local cortical assembly activity during periods of QW, but not sleep. These results suggest that the coordination of cortical assembly activity with global brain dynamics could be a key factor of sustained conscious experience.

Inhibitory interneurons are a critical component of cortical circuits. Beyond providing inhibition, they have been proposed to coordinate the firing of excitatory neurons within cell assemblies. While many studies have dissected the function of specific interneuron subtypes, the relationship between interneurons and pyramidal cell synchrony in vivo remains unclear. We use an all-optical approach to simultaneously record hippocampal interneurons and pyramidal cells, and test the network influence of single interneurons. We show that CA1 interneurons form a functionally interconnected network that promotes synchrony through disinhibition during awake immobility without altering endogenous cell assemblies. A network model indicates that cell assemblies and dense but unspecific connectivity between interneurons are necessary ingredients to explain our experimental results. Thus, interneurons may not only operate via division of labor, but also through concerted activity. Our data challenge the idea of a purely decorrelating or segregating function of inhibition.