Obtaining high-resolution information from a complex system, while maintaining the global perspective needed to understand system function, represents a key challenge in biology. Here we address this challenge with a method (termed CLARITY) for the transformation of intact tissue into a nanoporous hydrogel-hybridized form (crosslinked to a three-dimensional network of hydrophilic polymers) that is fully assembled but optically transparent and macromolecule-permeable. Using mouse brains, we show intact-tissue imaging of long-range projections, local circuit wiring, cellular relationships, subcellular structures, protein complexes, nucleic acids and neurotransmitters. CLARITY also enables intact-tissue in situ hybridization, immunohistochemistry with multiple rounds of staining and de-staining in non-sectioned tissue, and antibody labelling throughout the intact adult mouse brain. Finally, we show that CLARITY enables fine structural analysis of clinical samples, including non-sectioned human tissue from a neuropsychiatric-disease setting, establishing a path for the transmutation of human tissue into a stable, intact and accessible form suitable for probing structural and molecular underpinnings of physiological function and disease. High-resolution imaging has traditionally required thin sectioning, a process that disrupts long-range connectivity in the case of brains: here, intact mouse brains and human brain samples have been made fully transparent and macromolecule permeable using a new method termed CLARITY, which allows for intact-tissue imaging as well as repeated antibody labelling and in situ hybridization of non-sectioned tissue. High-resolution imaging of biological tissue has traditionally required sectioning, which for tissues like the brain means the loss of long-range connectivity. Now Karl Deisseroth and colleagues have developed a way of making full, intact organs optically transparent and macromolecule-permeable by building a hydrogel-based infrastructure from within the tissue that allows subsequent removal of light-scattering lipids, resulting in a transparent brain. The method, termed CLARITY, also allows repeated antibody labelling of proteins, and in situ hybridization of nucleic acids in non-sectioned tissue, such as full mouse brains or human clinical samples stored in formalin for many years.

Optogenetic technologies employ light to control biological processes within targeted cells in vivo with high temporal precision. Here, we show that application of molecular trafficking principles can expand the optogenetic repertoire along several long-sought dimensions. Subcellular and transcellular trafficking strategies now permit (1) optical regulation at the far-red/infrared border and extension of optogenetic control across the entire visible spectrum, (2) increased potency of optical inhibition without increased light power requirement (nanoampere-scale chloride-mediated photocurrents that maintain the light sensitivity and reversible, step-like kinetic stability of earlier tools), and (3) generalizable strategies for targeting cells based not only on genetic identity, but also on morphology and tissue topology, to allow versatile targeting when promoters are not known or in genetically intractable organisms. Together, these results illustrate use of cell-biological principles to enable expansion of the versatile fast optogenetic technologies suitable for intact-systems biology and behavior.

In this Analysis, the authors directly experimentally compare microbial opsins used for the control of neural activity. They extract essential principles and key parameters that can help end users with the design and interpretation of optogenetic experiments and guide tool developers in the characterization of future tools. Diverse optogenetic tools have allowed versatile control over neural activity. Many depolarizing and hyperpolarizing tools have now been developed in multiple laboratories and tested across different preparations, presenting opportunities but also making it difficult to draw direct comparisons. This challenge has been compounded by the dependence of performance on parameters such as vector, promoter, expression time, illumination, cell type and many other variables. As a result, it has become increasingly complicated for end users to select the optimal reagents for their experimental needs. For a rapidly growing field, critical figures of merit should be formalized both to establish a framework for further development and so that end users can readily understand how these standardized parameters translate into performance. Here we systematically compared microbial opsins under matched experimental conditions to extract essential principles and identify key parameters for the conduct, design and interpretation of experiments involving optogenetic techniques.

Different subregions of the bed nucleus of the stria terminalis are shown to increase and decrease anxiety in mice, and distinct neural projections arising from a single coordinating brain region modulate different anxiety features. The bed nucleus of the stria terminalis (BNST), a brain area involved in fear and anxiety, also projects into brain areas with contrasting roles, including some involved in the reward response. Two papers now dissect out the functional properties of various subregions of projections of BNST in mice. Garret Stuber and colleagues examine BNST projections to the ventral tegmental area and find that glutamatergic and GABAergic projections have opposing effects on reward and aversion. Karl Deisseroth and colleagues find that different subregions of BNST increase and decrease anxiety, and that distinct projections modulate different features of anxiety. This work suggests that anxiety arises not from a single neural circuit, but from the interplay between anxiety-producing and anxiety-reducing circuits. Behavioural states in mammals, such as the anxious state, are characterized by several features that are coordinately regulated by diverse nervous system outputs, ranging from behavioural choice patterns to changes in physiology (in anxiety, exemplified respectively by risk-avoidance and respiratory rate alterations)1,2. Here we investigate if and how defined neural projections arising from a single coordinating brain region in mice could mediate diverse features of anxiety. Integrating behavioural assays, in vivo and in vitro electrophysiology, respiratory physiology and optogenetics, we identify a surprising new role for the bed nucleus of the stria terminalis (BNST) in the coordinated modulation of diverse anxiety features. First, two BNST subregions were unexpectedly found to exert opposite effects on the anxious state: oval BNST activity promoted several independent anxious state features, whereas anterodorsal BNST-associated activity exerted anxiolytic influence for the same features. Notably, we found that three distinct anterodorsal BNST efferent projections—to the lateral hypothalamus, parabrachial nucleus and ventral tegmental area—each implemented an independent feature of anxiolysis: reduced risk-avoidance, reduced respiratory rate, and increased positive valence, respectively. Furthermore, selective inhibition of corresponding circuit elements in freely moving mice showed opposing behavioural effects compared with excitation, and in vivo recordings during free behaviour showed native spiking patterns in anterodorsal BNST neurons that differentiated safe and anxiogenic environments. These results demonstrate that distinct BNST subregions exert opposite effects in modulating anxiety, establish separable anxiolytic roles for different anterodorsal BNST projections, and illustrate circuit mechanisms underlying selection of features for the assembly of the anxious state.

The introduction of two microbial opsin–based tools, channelrhodopsin-2 (ChR2) and halorhodopsin (NpHR), to neuroscience has generated interest in fast, multimodal, cell type–specific neural circuit control. Here we describe a cation-conducting channelrhodopsin (VChR1) from Volvox carteri that can drive spiking at 589 nm, with excitation maximum red-shifted ∼70 nm compared with ChR2. These results demonstrate fast photostimulation with yellow light, thereby defining a functionally distinct third category of microbial rhodopsin proteins.

Precisely defining the roles of specific cell types is an intriguing frontier in the study of intact biological systems and has stimulated the rapid development of genetically encoded tools for observation and control. However, targeting these tools with adequate specificity remains challenging: most cell types are best defined by the intersection of two or more features such as active promoter elements, location and connectivity. Here we have combined engineered introns with specific recombinases to achieve expression of genetically encoded tools that is conditional upon multiple cell-type features, using Boolean logical operations all governed by a single versatile vector. We used this approach to target intersectionally specified populations of inhibitory interneurons in mammalian hippocampus and neurons of the ventral tegmental area defined by both genetic and wiring properties. This flexible and modular approach may expand the application of genetically encoded interventional and observational tools for intact-systems biology.

Channelrhodopsin-2 (ChR2) has become an indispensable tool in neuroscience, allowing precise induction of action potentials with short light pulses. A limiting factor for many optophysiological experiments is the relatively small photocurrent induced by ChR2. We screened a large number of ChR2 point mutants and discovered a dramatic increase in photocurrent amplitude after threonine-to-cysteine substitution at position 159. When we tested the T159C mutant in hippocampal pyramidal neurons, action potentials could be induced at very low light intensities, where currently available channelrhodopsins were unable to drive spiking. Biophysical characterization revealed that the kinetics of most ChR2 variants slows down considerably at depolarized membrane potentials. We show that the recently published E123T substitution abolishes this voltage sensitivity and speeds up channel kinetics. When we combined T159C with E123T, the resulting double mutant delivered fast photocurrents with large amplitudes and increased the precision of single action potential induction over a broad range of frequencies, suggesting it may become the standard for light-controlled activation of neurons.

Lateral habenula (LHb) neurons convey aversive and negative reward conditions through potent indirect inhibition of ventral tegmental area (VTA) dopaminergic neurons. Although VTA dopaminergic neurons reciprocally project to the LHb, the electrophysiological properties and the behavioral consequences associated with selective manipulations of this circuit are unknown. Here, we identify an inhibitory input to the LHb arising from a unique population of VTA neurons expressing dopaminergic markers. Optogenetic activation of this circuit resulted in no detectable dopamine release in LHb brain slices. Instead, stimulation produced GABA-mediated inhibitory synaptic transmission, which suppressed the firing of postsynaptic LHb neurons in brain slices and increased the spontaneous firing rate of VTA dopaminergic neurons in vivo. Furthermore, in vivo activation of this pathway produced reward-related phenotypes that were dependent on intra-LHb GABAA receptor signaling. These results suggest that noncanonical inhibitory signaling by these hybrid dopaminergic-GABAergic neurons act to suppress LHb output under rewarding conditions.

ABSTRACT The lateral hypothalamus (LH), together with multiple neuromodulatory systems of the brain, such as the dorsal raphé nucleus (DR), is implicated in arousal, yet interactions between these systems are just beginning to be explored. Using a combination of viral tracing, circuit mapping, electrophysiological recordings from identified neurons and combinatorial optogenetics in mice, we show that GABAergic neurons in the LH selectively inhibit GABAergic neurons in the DR resulting in increased firing of a substantial fraction of its neurons that ultimately promotes arousal. These DR GABA neurons are wake active and project to multiple brain areas involved in the control of arousal including the LH, where their specific activation potently influences local network activity leading to arousal from sleep. Our results show how mutual inhibitory projections between the LH and the DR promote wakefulness and suggest a complex arousal control by intimate interactions between long-range connections and local circuit dynamics.

Abstract Dravet syndrome (DS) is a neurodevelopmental disorder defined by treatment-resistant epilepsy, autism spectrum disorder, and sudden death, due to pathogenic variants in SCN1A encoding the Nav1.1 sodium channel subunit. Convergent data suggest hippocampal dentate gyrus (DG) pathology. We found that optogenetic stimulation of entorhinal cortex was ictogenic in DS ( Scn1a +/- ) but not wild-type mice in vivo. Two-photon calcium imaging in brain slice demonstrated profound impairment in filtering of perforant path input by DG in young adult Scn1a +/- mice due to enhanced excitatory input to granule cells. Excitability of parvalbumin interneurons (PV-INs) was near-normal and selective activation of PV-INs rescued circuit impairments. This demonstrates developmental reorganization of hippocampal circuitry that can be modulated by recruitment of functional PV-INs, suggesting potential therapeutic approaches towards seizure modulation. The identified circuit abnormality mirrors that seen in models of chronic temporal lobe epilepsy, suggesting convergent mechanisms linking genetic and acquired causes of temporal lobe-onset seizures.