ABSTRACT In volatile foraging environments, animals need to adapt their learning in accordance with the uncertainty of the environment and knowledge of the hidden structure of the world. In these contexts, previous studies have distinguished between two types of strategies, model-free learning, where reward values are updated locally based on external feedback signals, and inference-based learning, where an internal model of the world is used to make optimal inferences about the current state of the environment. Distinguishing between these strategies during the dynamic foraging behavioral paradigm has been a challenging problem for studies of reward-guided decisions, due to the diversity in behavior of model-free and inference-based agents, as well as the complexities that arise when animals mix between these types of strategies. Here, we developed two solutions that jointly tackle these problems. First, we identified four key behavioral features that together benchmark the switching dynamics of agents in response to a change in reward contingency. We performed computational simulations to systematically measure these features for a large ensemble of model-free and inference-based agents, uncovering an organized structure of behavioral choices where observed behavior can be reliably classified into one of six distinct regimes in the two respective parameter spaces. Second, to address the challenge that arises when animals use multiple strategies within single sessions, we developed a novel state-space method, block Hidden Markov Model (blockHMM), to infer switches in discrete latent states that govern the choice sequences across blocks of trials. Our results revealed a remarkable degree of mixing between different strategies even in expert animals, such that model-free and inference-based learning modes often co-existed within single sessions. Together, these results invite a re-evaluation of the stationarity of behavior during dynamic foraging, provide a comprehensive set of tools to characterize the evolution of learning strategies, and form the basis of understanding neural circuits involved in different modes of behavior within this domain.

Cortical neurons often respond to identical sensory stimuli with large variability. However, under certain conditions, the same neurons can also respond highly reliably. The circuit mechanisms that contribute to this modulation, and their influence on behavior remains unknown. Here we used novel double transgenic mice, dual-wavelength calcium imaging and temporally selective optical perturbation to identify an inhibitory neural circuit in visual cortex that can modulate the reliability of pyramidal neurons to naturalistic visual stimuli. Our results, supported by computational models, suggest that somatostatin interneurons (SST-INs) increase pyramidal neuron reliability by suppressing parvalbumin interneurons (PV-INs) via the inhibitory SSTPV circuit. Using a novel movie classification task, we further show that, by reducing variability, activating SST-INs can improve the ability of mice to discriminate between ambiguous stimuli. Together, these findings reveal a novel role of the SST-PV circuit in modulating the fidelity of neural coding critical for visual perception.

Women harboring heterozygous germline mutations of BRCA2 have a 50-80% risk of developing breast cancer, yet the early pathogenesis of these cancers is poorly understood. We sought to reveal early steps in BRCA2-associated carcinogenesis through analysis of sorted cell populations from freshly-isolated, non-cancerous breast tissues among a cohort of BRCA2 mutation carriers and matched controls. Single-cell whole-genome sequencing demonstrates that >25% of BRCA2 carrier (BRCA2mut/+) luminal progenitor (LP) cells exhibit sub-chromosomal copy number variations (CNVs), which are rarely observed in non-carriers. Correspondingly, primary BRCA2mut/+ breast epithelia exhibit spontaneous and replication stress-induced DNA damage together with attenuated replication checkpoint and apoptotic responses, associated with an age-associated expansion of the LP compartment in human carrier tissues. These phenotypes are not associated with loss of wild-type BRCA2. Collectively, these findings provide evidence for BRCA2 haploinsufficiency and associated DNA damage in vivo that precede histologic abnormalities. These results provide unanticipated opportunities for new cancer risk assessment and prevention strategies in high-risk patients.

Our understanding of the relationship between the structure and function of the intact brain is mainly shaped by magnetic resonance imaging. However, high resolution and deep-tissue imaging modalities are required to capture the subcellular relationship between structure and function, particularly in awake conditions. Here, we utilized a custom-made three-photon microscope to perform label-free third-harmonic generation (THG) microscopy as well as laser ablation to calculate effective attenuation lengths (EAL) of primary visual cortex and five adjacent visual cortical areas in awake mice. We identified each visual area precisely by retinotopic mapping via one-photon imaging of the calcium indicator GCaMP6s. EALs measured by depth-resolved THG microscopy in the cortex and white matter showed correspondence with the functional retinotopic sign map of each cortical area. To examine the basis for this correspondence, we used THG microscopy to examine several structural features of each visual area, including their cytoarchitecture, myeloarchitecture and blood vessel architecture. The cytoarchitecture of each area allowed us to estimate EAL values, which were comparable to experimental EAL values. The orientation of blood vessels and myelin fibers in the six areas were correlated with their EAL values. Ablation experiments, which provide ground truth measurements, generated 17 +- 3 % longer EALs compared to those obtained with THG imaging but were consistent with the latter. These results demonstrate a strong correlation between structural substrates of visual cortical areas, represented by EALs, and their functional visual field representation maps.

Established methods for imaging the living mammalian brain have, to date, taken optical properties of the tissue as fixed; we here demonstrate that it is possible to modify the optical properties of the brain itself to significantly enhance at-depth imaging while preserving native physiology. Using a small amount of any of several biocompatible materials to raise the refractive index of solutions superfusing the brain prior to imaging, we could increase several-fold the signals from the deepest cells normally visible and, under both one-photon and two-photon imaging, visualize cells previously too dim to see. The enhancement was observed for both anatomical and functional fluorescent reporters across a broad range of emission wavelengths. Importantly, visual tuning properties of cortical neurons in awake mice, and electrophysiological properties of neurons assessed ex vivo, were not altered by this procedure.

ABSTRACT Human cerebral organoids are unique in their development of progenitor-rich zones akin to ventricular zones from which neuronal progenitors differentiate and migrate radially. Analyses of cerebral organoids thus far have been performed in sectioned tissue or in superficial layers due to their high scattering properties. Here, we demonstrate label-free three-photon imaging of whole, uncleared intact organoids (∼2 mm depth) to assess early events of early human brain development. Optimizing a custom-made three-photon microscope to image intact cerebral organoids generated from Rett Syndrome patients, we show defects in the ventricular zone volumetric structure of mutant organoids compared to isogenic control organoids. Long-term imaging live organoids reveals that shorter migration distances and slower migration speeds of mutant radially migrating neurons are associated with more tortuous trajectories. Our label-free imaging system constitutes a particularly useful platform for tracking normal and abnormal development in individual organoids, as well as for screening therapeutic molecules via intact organoid imaging.