Channelrhodopsin-2 (ChR2) is a light-gated, cation-selective ion channel isolated from the green algae Chlamydomonas reinhardtii. Here, we report the generation of transgenic mice that express a ChR2-YFP fusion protein in the CNS for in vivo activation and mapping of neural circuits. Using focal illumination of the cerebral cortex and olfactory bulb, we demonstrate a highly reproducible, light-dependent activation of neurons and precise control of firing frequency in vivo. To test the feasibility of mapping neural circuits, we exploited the circuitry formed between the olfactory bulb and the piriform cortex in anesthetized mice. In the olfactory bulb, individual mitral cells fired action potentials in response to light, and their firing rate was not influenced by costimulated glomeruli. However, in piriform cortex, the activity of target neurons increased as larger areas of the bulb were illuminated to recruit additional glomeruli. These results support a model of olfactory processing that is dependent upon mitral cell convergence and integration onto cortical cells. More broadly, these findings demonstrate a system for precise manipulation of neural activity in the intact mammalian brain with light and illustrate the use of ChR2 mice in exploring functional connectivity of complex neural circuits in vivo.

Astrocytes are the most abundant cell type in the brain, where they perform a wide array of functions, yet the nature of their cellular heterogeneity and how it oversees these diverse roles remains shrouded in mystery. Using an intersectional fluorescence-activated cell sorting-based strategy, we identified five distinct astrocyte subpopulations present across three brain regions that show extensive molecular diversity. Application of this molecular insight toward function revealed that these populations differentially support synaptogenesis between neurons. We identified correlative populations in mouse and human glioma and found that the emergence of specific subpopulations during tumor progression corresponded with the onset of seizures and tumor invasion. In sum, we have identified subpopulations of astrocytes in the adult brain and their correlates in glioma that are endowed with diverse cellular, molecular and functional properties. These populations selectively contribute to synaptogenesis and tumor pathophysiology, providing a blueprint for understanding diverse astrocyte contributions to neurological disease.

Abstract Prior studies have described the complex interplay that exists between glioma cells and neurons, however, the electrophysiological properties endogenous to tumor cells remain obscure. To address this, we employed Patch-sequencing on human glioma specimens and found that one third of patched cells in IDH mutant (IDH mut ) tumors demonstrate properties of both neurons and glia by firing single, short action potentials. To define these hybrid cells (HCs) and discern if they are tumor in origin, we developed a computational tool, Single Cell Rule Association Mining (SCRAM), to annotate each cell individually. SCRAM revealed that HCs represent tumor and non-tumor cells that feature GABAergic neuron and oligodendrocyte precursor cell signatures. These studies are the first to characterize the combined electrophysiological and molecular properties of human glioma cells and describe a new cell type in human glioma with unique electrophysiological and transcriptomic properties that are likely also present in the non-tumor mammalian brain.

Summary Thalamo-cortical networks are central to seizures, yet it’s unclear how these circuits initiate the seizures. Here, we test the hypothesis that a facial region of the thalamus, the VPM, is a source of convulsive, tonic-clonic seizures. We devised an in vivo optogenetic mouse model to elicit tonic-clonic seizures by driving convergent input to the VPM. With viral tracing, we show dense cerebellar and cerebral cortical afferent input to the VPM. Lidocaine microinfusions into the cerebellar nuclei selectively block seizure initiation. We perform single-unit electrophysiology recordings during awake, convulsive seizures to define the local activity of thalamic neurons before, during, and after seizure onset. We find highly dynamic activity with biphasic properties, raising the possibility that heterogenous activity patterns promote seizures. These data reveal the VPM as a source of tonic-clonic seizures, with cerebellar input providing the predominant signals.

Abstract Sensory perception underlies how we internalize and interact with the external world. In order to adapt to changing circumstances and interpret signals in a variety of contexts, sensation needs to be reliable, but perception of sensory input needs to be flexible. An important mediator of this flexibility is top-down regulation from the cholinergic basal forebrain. Basal forebrain projection neurons serve as pacemakers and gatekeepers for downstream neural networks, modulating circuit activity across diverse neuronal populations. This top-down control is necessary for sensory cue detection, learning, and memory, and is disproportionately disrupted in neurodegenerative diseases associated with cognitive decline. Intriguingly, cholinergic signaling acts locally within the basal forebrain to sculpt the activity of basal forebrain output neurons. To determine how local cholinergic signaling impacts basal forebrain output pathways that participate in top-down regulation, we sought to define the dynamics of cholinergic signaling within the basal forebrain during motivated behavior and learning. Towards this, we utilized fiber photometry and the genetically encoded acetylcholine indicator GAChR2.0 to define temporal patterns of cholinergic signaling in the basal forebrain during olfactory-guided, motivated behaviors and learning. We show that cholinergic signaling reliably increased during reward-seeking behaviors but was strongly suppressed by reward delivery in a go/no-go, olfactory-cued discrimination task. The observed transient reduction in cholinergic tone was mirrored by a suppression in basal forebrain GABAergic neuronal activity. Together, these findings suggest that cholinergic tone in the basal forebrain changes rapidly to reflect rewardseeking behavior and positive reinforcement to impact basal forebrain circuit activity.

Neuronal activity drives global alterations in gene expression within neurons, yet how it directs transcriptional and epigenomic changes in neighboring astrocytes in functioning circuits is unknown. Here we show that neuronal activity induces widespread transcriptional upregulation and downregulation in astrocytes, highlighted by the identification of a neuromodulator transporter Slc22a3 as an activity-inducible astrocyte gene regulating sensory processing in the olfactory bulb. Loss of astrocytic Slc22a3 reduces serotonin levels in astrocytes, leading to alterations in histone serotonylation. Inhibition of histone serotonylation in astrocytes reduces expression of GABA biosynthetic genes and GABA release, culminating in olfactory deficits. Our study reveals that neuronal activity orchestrates transcriptional and epigenomic responses in astrocytes, while illustrating new mechanisms for how astrocytes process neuromodulatory input to gate neurotransmitter release for sensory processing.

Interpreting chemical information and translating it into ethologically relevant output is a common challenge of olfactory systems across species. Are computations performed by olfactory circuits conserved across species to overcome these common challenges? To understand this, we compared odor responses in the locust antennal lobe (AL) and mouse olfactory bulb (OB). We found that odors activated nearly mutually exclusive neural ensembles during stimulus presentation ('ON response') and after stimulus termination ('OFF response'). Strikingly, ON and OFF responses evoked by a single odor were anticorrelated with each other. 'Inverted' OFF responses enhanced contrast between odors experienced close together in time. Notably, OFF responses persisted long after odor termination in both AL and OB networks, indicating a form of short-term memory. Taken together, our results reveal key neurodynamic features underlying olfactory computations that are conserved across insect and mammalian olfactory systems.

Abstract Adaptation to potential threat cues in feeding regulation is key for animal survival. Maladaptation in balancing internal energy needs and external threat cues may result in eating disorders. However, brain mechanisms underlying such maladaptation remain elusive. Here, we identified that the basal forebrain (BF) sends glutamatergic projections to glutamatergic neurons in the ventral tegmental area (VTA). Glutamatergic neurons in both the BF and the VTA displayed correlated responses to various external stressors. Notably, in vivo manipulation of BF terminals in the VTA revealed that the glutamatergic BF➔VTA circuit reduces appetite, increases locomotion, and elicits avoidance. In consistence, activation of VTA glutamatergic neurons reduced body weight, blunted food motivation, and caused hyperactivity with behavioral signs of anxiety, all hallmarks of typical anorexia phenotypes. Importantly, activation of BF glutamatergic terminals in the VTA reduced dopamine release in the nucleus accumbens (NAc). Collectively, our results point to overactivation of the glutamatergic BF➔VTA circuit as a potential cause of anorexia-like phenotypes involving reduced dopamine release.