Abstract Pupil dynamics serve as a physiological indicator of cognitive processes and arousal states of the brain across a diverse range of behavioral experiments. Pupil diameter changes reflect brain state fluctuations driven by neuromodulatory systems. Resting state fMRI (rs-fMRI) has been used to identify global patterns of neuronal correlation with pupil diameter changes, however, the linkage between distinct brain state-dependent activation patterns of neuromodulatory nuclei with pupil dynamics remains to be explored. Here, we identified four clusters of trials with unique activity patterns related to pupil diameter changes in anesthetized rat brains. Going beyond the typical rs-fMRI correlation analysis with pupil dynamics, we decomposed spatiotemporal patterns of rs-fMRI with principal components analysis (PCA) and characterized the cluster-specific pupil-fMRI relationships by optimizing the PCA component weighting via decoding methods. This work shows that pupil dynamics are tightly coupled with different neuromodulatory centers in different trials, presenting a novel PCA-based decoding method to study the brain state-dependent pupil-fMRI relationship.

The optogenetically driven manipulation of circuit-specific activity enabled functional causality studies in animals, but its global effect on the brain is rarely reported. Here, we applied simultaneous fMRI with calcium recording to map brain-wide activity by optogenetic activation of fibers running in one orientation along the corpus callosum(CC) connecting the barrel cortex(BC). Robust positive BOLD signals were detected in the ipsilateral BC due to antidromic activity, which spread to ipsilateral motor cortex(MC) and posterior thalamus(PO). In the orthodromic target (contralateral barrel cortex), positive BOLD signals were reliably evoked by 2Hz light pulses, whereas 40Hz light pulses led to a reversed sign of BOLD - indicative of CC-mediated inhibition. This presumed optogenetic CC-mediated inhibition was further elucidated by pairing light with peripheral whisker stimulation at varied inter-stimulus intervals. Whisker induced positive BOLD, and calcium signals were reduced at inter-stimulus intervals of 50/100ms. The calcium-amplitude modulation (AM)-based correlation with whole-brain fMRI signal revealed that the inhibitory effects spread to contralateral BC as well as ipsilateral MC and PO. This work raises the need of fMRI to elucidate the brain-wide network activation in response to projection-specific optogenetic stimulation.