We report the redox mediation of glucose oxidase (GOx) in a self-assembled structure of cationic poly(allylamine) modified by ferrocene (PAA-Fc) and anionic GOx deposited electrostatically layer-by-layer on negatively charged alkanethiol-modified Au surfaces. Successive PAA-Fc and GOx layers were deposited by alternate immersion of the thiol-modified Au in the respective polyelectrolyte and enzyme solutions. The uptake of thiol, redox polymer, and GOx on the surface was monitored by quartz crystal microbalance. Cyclic voltammetry shows nearly ideal surface waves of ferrocene in the polymer with charge independent of sweep rate; the redox surface concentration was obtained from integration of the ferrocene/ferricinium voltammetric peaks. The redox charge increases in step with the number of PAA-Fc layers deposited. Enzyme catalysis for the oxidation of β-d-glucose was achieved with a multilayer PAA-Fc/GOx assembly, with each GOx layer contributing equally to the catalytic response. Only a small fraction of the active assembled GOx molecules are "electrically wired" by the ferrocene polymer although all of the enzyme could be oxidized by soluble ferrocenesulfonate when added to solution.

Summary The prefrontal cortex (PFC) is a hub for cognitive control, and dopamine profoundly influences its functions. In other brain regions, astrocytes sense diverse neurotransmitters and neuromodulators and, in turn, orchestrate regulation of neuroactive substances. However, basic physiology of PFC astrocytes, including which neuromodulatory signals they respond to and how they contribute to PFC function, is lacking. Here, we characterize divergent signaling signatures in astrocytes of PFC and primary sensory cortex in mice, which are linked to differential responsivity to locomotion. We find that PFC astrocytes express receptors for dopamine, but are unresponsive through the G s /G i -cAMP pathway. Instead, fast calcium signals in PFC astrocytes are time-locked to dopamine release, and are mediated by α1-adrenergic receptors both ex vivo and in vivo . Further, we describe dopamine-triggered regulation of extracellular ATP at PFC astrocyte territories. Thus, we identify astrocytes as active players in dopaminergic signaling in PFC, contributing to PFC function though neuromodulator receptor crosstalk. Graphical Abstract

Norepinephrine (NE) is a critical neuromodulator that mediates a wide range of behavior and neurophysiology, including attention, arousal, plasticity, and memory consolidation. A major source of NE is the brainstem nucleus the locus coeruleus (LC), which sends widespread projections throughout the central nervous system (CNS). Efforts to dissect this complex noradrenergic circuitry have driven the development of many tools that detect endogenous NE or modulate widespread NE release via LC activation and inhibition. While these tools have enabled research that elucidates physiological roles of NE, additional tools to probe these circuits with a higher degree of spatial precision could enable a finer delineation of function. Here, we describe the synthesis and chemical properties of a photo-activatable NE, [Ru(bpy) 2 (PMe 3 )(NE)]PF 6 (RuBi-NE). We validate the one-photon (1P) release of NE using whole-cell patch clamp electrophysiology in acute mouse brain slices containing the LC. We show that a 10 ms pulse of blue light, in the presence of RuBi-NE, briefly modulates the firing rate of LC neurons via α-2 adrenergic receptors. The development of a photo-activatable NE that can be released with light in the visible spectrum provides a new tool for fine-grained mapping of complex noradrenergic circuits, as well as the ability to probe how NE acts on non-neuronal cells in the CNS.

Summary Paragraph Astrocytes—the most abundant non-neuronal cell type in the mammalian brain—are crucial circuit components that respond to and modulate neuronal activity via calcium (Ca 2+ ) signaling 1–8 . Astrocyte Ca 2+ activity is highly heterogeneous and occurs across multiple spatiotemporal scales: from fast, subcellular activity 3,4 to slow, synchronized activity that travels across connected astrocyte networks 9–11 . Furthermore, astrocyte network activity has been shown to influence a wide range of processes 5,8,12 . While astrocyte network activity has important implications for neuronal circuit function, the inputs that drive astrocyte network dynamics remain unclear. Here we used ex vivo and in vivo two-photon Ca 2+ imaging of astrocytes while mimicking neuronal neurotransmitter inputs at multiple spatiotemporal scales. We find that brief, subcellular inputs of GABA and glutamate lead to widespread, long-lasting astrocyte Ca 2+ responses beyond an individual stimulated cell. Further, we find that a key subset of Ca 2+ activity—propagative events—differentiates astrocyte network responses to these two major neurotransmitters, and gates responses to future inputs. Together, our results demonstrate that local, transient neurotransmitter inputs are encoded by broad cortical astrocyte networks over the course of minutes, contributing to accumulating evidence across multiple model organisms that significant astrocyte-neuron communication occurs across slow, network-level spatiotemporal scales 13–15 . We anticipate that this study will be a starting point for future studies investigating the link between specific astrocyte Ca 2+ activity and specific astrocyte functional outputs, which could build a consistent framework for astrocytic modulation of neuronal activity.

Two photon microscopy is one of the most powerful techniques for optical images. Its deep penetration, low scattering and mainly its sectioning power allows exquisite control on all three axes of 3D samples, both for imaging and actuation. Unfortunately, this technique involves very expensive femtosecond lasers. Upconverting Nanoparticles display multiphoton absorption at low instantaneous power, which can be achieved by means of cheap laser diodes. Scanning Laser Upconversion Microscopy offers the deep penetration and low scattering of NIR excitation together with the sectioning power of multiphoton techniques for under US$ 1000.