Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals. However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body. Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 (hsTRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hsTRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hsTRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hsTRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hsTRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.

Summary Psychological stress and its sequelae are a major public health problem. While the immune system has been implicated in the development of stress-related disorders, how the immune signals modulate neural responses to stress is poorly understood. Contrary to our expectations, we found that the immune cytokine Interleukin (IL)-22 is the key mediator of an immune-to-brain pathway that diminishes, rather than amplifies, stress-induced anxiety. We showed that stress induced T H 17 differentiation and IL-22 production in the intestine following barrier dysfunction and microbiota stimulation. IL-22 then directly signaled to septal neurons in the brain to mitigate anxiety-like behavior. Accordingly, mice treated with exogenous IL-22 showed resilience to chronic stress-induced anxiety disorders. Our study thus reveals a previously-unappreciated immune-to-brain axis that defends against psychological stress, suggesting a potential intervention strategy for stress-related mental diseases.

SUMMARY The primary motor cortex (M1) is a central hub for motor learning and execution. M1 is composed of heterogeneous cell types, many exhibiting varying relationships to movement. Here, we employed an unbiased screen to tag active neurons at different stages of performance of a motor task. We characterized the relative cell type composition of active neurons across training and identified one cell type consistently enriched as training progressed: corticothalamic neurons (M1 CT ). Using two-photon calcium imaging, we found that M1 CT activity is largely suppressed during movement, and this negative correlation with movement scales with movement vigor and augments with training. Closed-loop optogenetic manipulation of this population revealed that increasing M1 CT activity during forelimb movement significantly hinders execution, an effect that became stronger with training. Similar optogenetic manipulations, however, had little effect on locomotion. In contrast to M1 CT neurons, we observed that M1 corticospinal neurons positively correlate with movement, and that this positive correlation increases with learning. Finally, by examining the connectivity between M1 CT and corticospinal neurons, we uncovered that M1 CT neurons can suppress M1 corticospinal activity via feedforward inhibition, and that this inhibition scales with training. These results identify a novel permissive role of corticothalamic neurons in movement execution through suppression of inhibition of corticospinal neurons.

Abstract Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals 1–4 . However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body 5–8 . Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 ( hs TRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hs TRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hs TRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hs TRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hs TRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.