Abstract This study investigated the dynamics of recruitment of cells in the CA1 region of the hippocampus in response to sensory stimuli presented during immobility, movement, and their transitions. Two-photon calcium imaging of somal activity in CA1 neuron populations was done in head fixed mice. Sensory stimuli, either a light flash or an air stream, were delivered to the mice when at rest, when moving spontaneously, and while they were induced to run a fixed distance on the conveyor belt. Overall, 99% of 2083 identified cells (from 5 mice) were active across one or more of 20 sensorimotor events. A larger proportion of cells were active during locomotion. Nevertheless, for any given sensorimotor event, only about 17% of cells were active. When considering pairs of sensorimotor event types, the active cell population consisted of conjunctive (C ∈ A and B) cells, active across both events, and complementary (C ∈ A not B or C ∈ B not A) cells that were active only during individual events. Whereas conjunctive cells characterised stable representations of repeated sensorimotor events, complementary cells characterised recruitment of new cells for encoding novel sensorimotor events. The moment-to-moment recruitment of conjunctive and complementary cells across changing sensorimotor events signifies the involvement of the hippocampus in functional networks integrating sensory information with ongoing movement. This role of the hippocampus is well suited for movement guidance that secondarily might include spatial behavior, episodic learning and memory, context representation, and scene construction.

Abstract The functional organization of sensory cortices is modulated by both extrinsic events and intrinsic states. The present study aimed to assess the mouse auditory cortex (AC) responses under varying conditions of stimulus complexity and brain state. Using wide-field calcium imaging, our results suggest a complete outline of topographic maps of frequency and FM rate as well as highly responsive regions to mouse ultrasonic vocalizations (USVs) in both awake and anesthetized states. Three new regions responsive to high-frequency tones and four new gradients responsive to frequency modulations (FMs) were identified. These maps are highly replicable across weeks and between animals. In awake versus anesthetized states, cortical responsiveness to pure tones was stronger, and regions that preferentially responded to slow rate FMs were smaller. In both states, fast FM regions showed the greatest contribution to the processing of USVs. Finally, our modeling of how best tone frequency or FM rate changes as a function of distance along a topographic gradient resulted in a sigmoid function. Together, our findings provide a better understanding of mouse AC functional organization and how this organization is modulated by changes in stimulus complexity and brain state. The function of newly identified regions in higher-order auditory/vocal processing and animal behavior should be considered in future research.

Simultaneous recording of optical and electrophysiological signals from multiple cortical areas may provide crucial information to expand our understanding of cortical function. However, the insertion of multiple electrodes into the brain may compromise optical imaging by both restricting the field of view, and interfering with the approaches used to stabilize the specimen. Existing methods that combine electrophysiological recording and optical imaging in vivo implement either multiple surface electrodes or a single electrode for deeper recordings. To address such limitation, we built a microelectrode array (hyperdrive) compatible with wide-field imaging that allows insertion of up to 12 probes into a large brain area (8 mm diameter). The developed hyperdrive is comprised of a circle of individual microdrives where probes are positioned at an angle leaving a large brain area unobstructed for wide-field imaging. Multiple tetrodes and voltage-sensitive dye imaging (VSDI) were used for simultaneous registration of spontaneous and evoked cortical activity. The electrophysiological signals were used to extract local field potential (LFP) traces, multiunit and single-unit spiking activity. To demonstrate our approach, we compared LFP and VSD signals over multiple regions of the cortex and analyzed the relationship between single-unit and global cortical population activities. The study of the interactions between cortical activity at local and global scales, such as the one presented in this work, can help to expand our knowledge of brain function

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is characterized by the prion-like propagation of amyloid-β (Aβ). However, the role of Aβ in cognitive impairment is still unclear. To determine the causal role of Aβ in AD, we intracerebrally seeded the entorhinal cortex of two-month-old App NL-G-F mouse model with an Aβ peptide derived from patients who died from rapidly progressing AD. When the mice were three and six months of age, or one- and four-months following seeding, respectively, spatial learning and memory were tested using the Morris water task. Immunohistochemical labeling showed seeding with the Aβ seed increased plaque size one month following seeding, but reduced plaque counts four months following injection compared to the control seeded mice. A significant increase in microgliosis was found. However, we found no correlation between pathology and spatial performance. The results of the present study show that seeding human tissue with or without Aβ alters learning and memory ability, Aβ plaque deposition, plaque size, and microgliosis in the App NL-G-F knock-in model, and these effects are dependent on the presence of a humanized App gene and the presence of Aβ in the seed. But these pathological changes were not initially causal in memory impairment.

ABSTRACT In contrast to most transgenic mouse models of Alzheimer disease (AD), knock-in mice expressing familial AD-linked mutations of the amyloid precursor protein ( App ) gene exhibit stereotypical age-dependent amyloid beta (Aβ) pathology and cognitive impairment without physiologically unrealistic App overexpression. This study investigated the effect of familial AD-linked App mutations on hippocampal CA1 neuronal activity and function. To enable calcium imaging of neuronal activity, App NL-G-F/NL-G-F knock-in (APPki) mice were crossed with Thy1 -GCaMP6s +/- (C-TG) mice to generate App NL-G-F/NL-G-F × Thy1 -GCaMP6s +/- (A-TG) mice, which were characterized at 12 months of age. A-TG mice exhibited Aβ pathology in the hippocampus. In several configurations of an air-induced running task, A-TG mice and C-TG mice were equally successful in learning to run or to stay immobile. In the Morris water place test, A-TG mice were impaired, but learned the task. Comparisons of hippocampal CA1 neuronal activity in the air-induced running task showed that A-TG mice displayed neuronal hypoactivity both during movement and immobility. A-TG mice and C-TG CA1 neuronal encoding of distance or time in the air induced running task were not different. These results suggest that knock-in of familial AD-linked mutations in A-TG mice results in Aβ pathology, neuronal hypoactivity, and cognitive impairment without severely affecting CA1 neuronal encoding. In comparison to APPki mice, A-TG mice had less severe AD-like memory impairments at 12 months of age (Saito et al., 2014; Mehla et al., 2019), suggesting that the disease onset was delayed in A-TG mice. The effect of APP mutations may have been mitigated through genetic mechanisms when APPKi mice were crossed with C-TG mice.