Abstract We propose a low-invasive method to enable implantable, large volume Raman spectroscopy in arbitrarily deep brain regions of the mouse brain. Using a single tapered fiber as thin as 1 μm at the tip, we identified diagnostic markers of brain metastasis - the most frequent brain tumor in human adults - with overall accuracy ≥ 90%. We view our approach as a promising complement to the existing palette of tools for optical interrogation of the brain.

Abstract Hippocampal sclerosis, the major neuropathological hallmark of temporal lobe epilepsy, is characterized by different patterns of neuronal loss. The mechanisms of cell-type specific vulnerability, their progression and histopathological classification remain controversial. Here using single-cell electrophysiology in vivo and immediate early gene expression, we reveal that superficial CA1 pyramidal neurons are overactive in epileptic rats and mice in vivo . Bulk tissue and single-nucleus expression profiling disclosed sublayer-specific transcriptomic signatures and robust microglial pro-inflammatory responses. Transcripts regulating neuronal processes such as voltage-channels, synaptic signalling and cell adhesion molecules were deregulated by epilepsy differently across sublayers, while neurodegenerative signatures primarily involved superficial cells. Pseudotime analysis of gene expression in single-nuclei and in situ validation revealed separated trajectories from health to epilepsy across cell types, and identified a subset of superficial cells undergoing a later stage in neurodegeneration. Our findings indicate sublayer- and cell type-specific changes associated with selective CA1 neuronal damage contributing to progression of hippocampal sclerosis.

The proximodistal axis is considered a major organizational principle of the hippocampus. Interfacing between the hippocampus and other brain systems, the CA2 region apparently breaks this rule. Apart from its specific role in social memory, CA2 has been involved in temporal and contextual memory but mechanisms remain elusive. Here, we used intracellular and extracellular recordings followed by neurochemical identification of single-cells to evaluate CA2 and surrounding areas in the rat. We found marked proximodistal trends of synaptic activity, as well as in subthreshold membrane potentials and phase-locked firing coupled to theta and gamma oscillations. Opposite proximodistal correlations between membrane potential fluctuations and theta sinks and sources at different layers revealed influences from up to three different generators. CA2 memory engrams established after a social memory task reflected these trends. We suggest that the structure and function of CA2 is segregated along the proximodistal hippocampal axis.

Theta oscillations play a major role in temporarily defining the hippocampal rate code by translating behavioural sequences into neuronal representations. However, mechanisms constraining phase timing and cell-type specific phase preference are unknown. Here, we employ computational models tuned with evolutionary algorithms to evaluate phase preference of individual CA1 pyramidal cells recorded in mice and rats not engaged in any particular memory task. We applied unbiased and hypothesis-free approaches to identify effects of intrinsic and synaptic factors, as well as cell morphology, in determining phase preference. We found that perisomatic inhibition delivered by complementary populations of basket cells interacts with input pathways to shape phase-locked specificity of deep and superficial pyramidal cells. Somatodendritic integration of fluctuating glutamatergic inputs defined cycle-by-cycle by unsupervised methods demonstrated that firing selection is tuneable across sublayers. Our data identify different mechanisms of phase-locking selectivity that are instrumental for flexible dynamical representations of theta sequences.