Abstract The traditional view that visuomotor integration is a property of higher brain centres has recently been challenged by the discovery in head-fixed rodents that locomotion increases neuronal activity throughout the early visual system (including the retina). Any appreciation of the importance of this behavioural modulation of visual inputs must encompass a comprehensive understanding of the range of behaviours engaged by this mechanism. This information is unavailable from head-fixed preparations in which head and body postures are fundamentally constrained and dissociated from their natural coupling with visual experience. We addressed this deficit by recording spiking activity from the primary visual thalamus during freely moving exploration, while simultaneously applying frame-by-frame quantification of postures and movements to robust 3D reconstructions of head and body. We found that postures associated with the animal looking up/down affected activity in >50% neurons. The extent of this effect was comparable to that induced by locomotion. Moreover, the two effects were largely independent and jointly modulated neuronal activity. Thus, while most units were excited by locomotion, some expressed highest firing when the animal was looking up (“look up” neurons) while others when the animal was looking down (“look-down” neurons). These results were observed in the dark, thus representing a genuine behavioural modulation, and were amplified in a lit arena. These findings define the influence of natural exploratory behaviour on activity in the early visual system and reveal the importance of up/down postures in gating neuronal activity in the primary visual thalamus.

Abstract How does evolution act on neuronal populations to match computational characteristics to functional demands? We address this problem by comparing visual code and retinal cell composition in closely related murid species with different behaviours. Rhabdomys pumilio are diurnal and have substantially thicker inner retina and larger visual thalamus than nocturnal Mus musculus . High-density electrophysiological recordings of visual response features in the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) reveals that Rhabdomys attains higher spatiotemporal acuity both by denser coverage of the visual scene and a selective expansion of elements of the code characterised by non-linear spatiotemporal summation. Comparative analysis of single cell transcriptomic cell atlases reveals that realignment of the visual code is associated with increased relative abundance of bipolar and ganglion cell types supporting OFF and ON-OFF responses. These findings demonstrate how changes in retinal cell complement can reconfigure the coding of visual information to match changes in visual needs.

Infra-slow (<0.01Hz) and fast beta/gamma (15 − 60 Hz) oscillations in neurophysiological activity have been widely found in the subcortical visual system. While it is well established that fast beta/gamma oscillations are involved in visual processing the role (if any) of infra-slow oscillations is currently unknown. In this study we tested the possibility that infra-slow oscillations affect visual processing by modulating fast beta/gamma oscillations. We recorded spontanous activity in vivo from the mouse subcortical visual system. We found that in neurons expressing both rhythms the phase of infra-slow modulates the amplitude of fast beta/gamma oscillations. Moreover the level of co-expression of these rhythms was substantially above chance suggesting that these rhythms are functionally linked. To further investigate infra-slow and fast beta/gamma coupling we asked whether its emergence was contingent upon intact rod/cone and melanopsin photoreception. In animals with non-functional rod/cone vision fast beta/gamma were abolished while infra-slow were potentiated indicating that infra-slow and fast beta/gamma are distinct events. In animals with genetic deletion of melanopsin both rhythms were expressed but their interaction was substantially disrupted. Together our results indicate that infra-slow oscillations are separable phenomena tied together by vision. Thus under physiological conditions infra-slow modulate fast beta/gamma oscillations through a sizeable population of neurons expressing both rhythms.

Abstract There is no consensus on the best optogenetic tool for neuronal inhibition. Lamprey parapinopsin (‘Lamplight’) is a Gi/o-coupled bistable animal opsin that can be activated and deactivated by short and long wavelength light, respectively. Since native mechanisms of neuronal inhibition frequently employ Gi/o signalling, we asked here whether Lamplight could be used for optogenetic silencing. We show that short (405nm) and long (525nm) wavelength pulses repeatedly switch Lamplight between stable signalling active and inactive states, and that combining these wavelengths can be used to achieve intermediate levels of activity. We demonstrate that these properties can be applied to produce switchable and scalable neuronal hyperpolarisation, and suppression of spontaneous spike firing in the mouse hypothalamic suprachiasmatic nucleus. We show that expressing Lamplight in (predominantly) ON bipolar cells can photosensitise retinas following advanced photoreceptor degeneration, and that 405 and 525nm stimuli can produce responses of opposite sign in output neurons of the retina. Lamplight-driven responses to both activating (405nm) and deactivating (525nm) light can occur within 500ms and be elicited by intensities at least 10x below threshold for available inhibitory optogenetic tools. We conclude that Lamplight can co-opt endogenous signalling mechanisms to allow optogenetic inhibition that is scalable, sustained and rapidly reversible.