Spontaneous neuronal activity is a ubiquitous feature of cortex. Its spatiotemporal organization reflects past input and modulates future network output. Here we study whether a particular type of spontaneous activity is generated by a network that is optimized for input processing. Neuronal avalanches are a type of spontaneous activity observed in superficial cortical layers in vitro and in vivo with statistical properties expected from a network operating at “criticality.” Theory predicts that criticality and, therefore, neuronal avalanches are optimal for input processing, but until now, this has not been tested in experiments. Here, we use cortex slice cultures grown on planar microelectrode arrays to demonstrate that cortical networks that generate neuronal avalanches benefit from a maximized dynamic range, i.e., the ability to respond to the greatest range of stimuli. By changing the ratio of excitation and inhibition in the cultures, we derive a network tuning curve for stimulus processing as a function of distance from criticality in agreement with predictions from our simulations. Our findings suggest that in the cortex, (1) balanced excitation and inhibition establishes criticality, which maximizes the range of inputs that can be processed, and (2) spontaneous activity and input processing are unified in the context of critical phenomena.

The repertoire of neural activity patterns that a cortical network can produce constrains the ability of the network to transfer and process information. Here, we measured activity patterns obtained from multisite local field potential recordings in cortex cultures, urethane-anesthetized rats, and awake macaque monkeys. First, we quantified the information capacity of the pattern repertoire of ongoing and stimulus-evoked activity using Shannon entropy. Next, we quantified the efficacy of information transmission between stimulus and response using mutual information. By systematically changing the ratio of excitation/inhibition (E/I) in vitro and in a network model, we discovered that both information capacity and information transmission are maximized at a particular intermediate E/I, at which ongoing activity emerges as neuronal avalanches. Next, we used our in vitro and model results to correctly predict in vivo information capacity and interactions between neuronal groups during ongoing activity. Close agreement between our experiments and model suggest that neuronal avalanches and peak information capacity arise because of criticality and are general properties of cortical networks with balanced E/I.

ABSTRACT We examined the relationships between activity in the locus coeruleus (LC), activity in the primary somatosensory cortex (S1), and pupil diameter in mice performing a tactile detection task. While LC spiking consistently preceded S1 membrane potential depolarization and pupil dilation, the correlation between S1 and pupil was more heterogeneous. Furthermore, the relationships between LC, S1 and pupil varied on timescales of sub-seconds to seconds within trials. Our data suggest that pupil diameter can be dissociated from LC spiking and cannot be used as a stationary index of LC activity.

Abstract Behavioral flexibility refers to the ability to adjust behavioral strategies in response to changing environmental contingencies. A major hypothesis in the field posits that the activity of neurons in the locus coeruleus (LC) plays an important role in mediating behavioral flexibility. To test this hypothesis, we developed a novel context-dependent bilateral tactile detection task where mice responded to left and right whisker deflections in a rule-dependent manner and exhibited varying degrees of flexible switching behavior. Recording from optogenetically-tagged neurons in the LC during task performance revealed a prominent graded correlation between baseline LC activity and behavioral flexibility, where higher baseline activity following a rule change was associated with faster behavioral switching to the new rule. Increasing baseline LC activity with optogenetic activation improved task performance and accelerated task switching. Overall, our study provides strong evidence to demonstrate that LC activity mediates behavioral flexibility.

Abstract The brain neuromodulatory systems heavily influence behavioral and cognitive processes. Previous work has shown that norepinephrine (NE), a classic neuromodulator mainly derived from the locus coeruleus (LC), enhances neuronal responses to sensory stimuli. However, the role of the LC-NE system in modulating perceptual task performance is not well understood. In addition, systemic perturbation of NE signaling has often been proposed to specifically target the LC in functional studies, yet the assumption that localized (specific) and systemic (nonspecific) perturbations of LC-NE have the same behavioral impact remains largely untested. In this study, we trained mice to perform a head-fixed, quantitative tactile detection task, and administered an α2 adrenergic receptor agonist or antagonist to pharmacologically down- or up-regulate LC-NE activity, respectively. We addressed the outstanding question of how bidirectional perturbations of LC-NE activity affect tactile detection, and tested whether localized and systemic drug treatments exert the same behavioral effects. We found that both localized and systemic suppression of LC-NE impaired tactile detection by reducing motivation. Surprisingly, while locally activating LC-NE enabled mice to perform in a near-optimal regime, systemic activation impaired behavior by promoting impulsivity. Our results demonstrate that localized silencing and activation of LC-NE differentially affect tactile detection, and that localized and systemic NE activation induce distinct behavioral changes.

Behavioral flexibility, the ability to adjust behavioral strategies in response to changing environmental contingencies and internal demands, is fundamental to cognitive functions. Despite a large body of pharmacology and lesion studies, the underlying neurophysiological correlates and mechanisms that support flexible rule switching remain elusive. To address this question, we trained mice to distinguish complex sensory cues comprising different perceptual dimensions (set shifting). Endoscopic calcium imaging revealed that medial prefrontal cortex (mPFC) neurons represented multiple task-related events and exhibited pronounced dynamic changes during rule switching. Notably, prominent encoding capacity in the mPFC was associated with switching across, but not within perceptual dimensions. We then showed the involvement of the ascending modulatory input from the locus coeruleus (LC), as inhibiting the LC impaired rule switching behavior and impeded mPFC dynamic processes and encoding. Our results highlight the pivotal role of the mPFC in set shifting processes and demonstrate the profound impact of ascending neuromodulation on shaping prefrontal neural dynamics and behavioral flexibility.

Haptic perception synthesizes touch with proprioception, or sense of body position. Humans and mice alike experience rich active touch of the face. Because most facial muscles lack proprioceptor endings, the sensory basis of facial proprioception remains unsolved. Facial proprioception may instead rely on mechanoreceptors that encode both touch and self-motion. In rodents, whisker mechanoreceptors provide a signal that informs the brain about whisker position. Whisking involves coordinated orofacial movements, so mechanoreceptors innervating facial regions other than whiskers could also provide information about whisking. To define all sources of sensory information about whisking available to the brain, we recorded spikes from mechanoreceptors innervating diverse parts of the face. Whisker motion was encoded best by whisker mechanoreceptors, but also by those innervating whisker pad hairy skin and supraorbital vibrissae. Redundant self-motion responses may provide the brain with a stable proprioceptive signal despite mechanical perturbations such as whisker growth and active touch.

Abstract Cognitive flexibility, the ability to adjust behavioral strategies in response to changing environmental contingencies, requires adaptive processing of internal states and contextual cues to guide goal-oriented behavior, and is dependent on prefrontal cortex (PFC) functions. However, the neurophysiological underpinning of how the PFC supports cognitive flexibility is not well understood and has been under active investigation. We recorded spiking activity from single PFC neurons in mice performing the attentional set-shifting task, where mice learned to associate different contextually relevant sensory stimuli to reward. We identified subgroups of PFC neurons encoding task context, choice and trial outcome. Putative fast-spiking neurons were more involved in representing outcome and choice than putative regular-spiking neurons. Regression model further revealed that task context and trial outcome modulated the activity of choice-encoding neurons in rule-dependent and cell type-dependent manners. Together, our data provide new evidence to elucidate PFC’s role in cognitive flexibility, suggesting differential cell type-specific engagement during set shifting, and that both contextual rule representation and trial outcome monitoring underlie PFC’s unique capacity to support flexible behavioral switching.

Abstract Neurons in the locus coeruleus (LC) have been traditionally viewed as a homogenous population. Recent studies are beginning to uncover heterogeneous molecular phenotypes and projection targets in this nucleus, but how such heterogeneity is ultimately manifested in neuronal physiology and function is largely unknown. We took an orthogonal approach to directly assess the physiological and functional heterogeneity in the LC. By identifying noradrenergic neurons using a genetic-based tagging approach, our study revealed a subset of neurons exhibiting a distinctive narrow spike waveform and lacking the prolonged after-hyperpolarization. We further provided evidence establishing a link between the proximity of LC neurons and their response latency, where putatively proximal neurons tended to have a long latency to optogenetic activation. Finally, we found that response latency of LC neurons was correlated with their burst firing and distinct relationship with pupil diameter. Together, our study presents novel evidence to reveal and link LC heterogeneity at the physiological level to that at the functional level.