The intrinsic period of circadian clocks is their defining adaptive property. To identify the biochemical mechanisms whereby casein kinase1 (CK1) determines circadian period in mammals, we created mouse null and tau mutants of Ck1 epsilon. Circadian period lengthened in CK1epsilon-/-, whereas CK1epsilon(tau/tau) shortened circadian period of behavior in vivo and suprachiasmatic nucleus firing rates in vitro, by accelerating PERIOD-dependent molecular feedback loops. CK1epsilon(tau/tau) also accelerated molecular oscillations in peripheral tissues, revealing its global role in circadian pacemaking. CK1epsilon(tau) acted by promoting degradation of both nuclear and cytoplasmic PERIOD, but not CRYPTOCHROME, proteins. Together, these whole-animal and biochemical studies explain how tau, as a gain-of-function mutation, acts at a specific circadian phase to promote degradation of PERIOD proteins and thereby accelerate the mammalian clockwork in brain and periphery.

Abstract Mammalian circadian rhythms are orchestrated by a master pacemaker in the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN), which receives information about the 24 h light:dark cycle from the retina. The accepted function of this light signal is to reset circadian phase in order to ensure appropriate synchronisation with the celestial day. Here, we ask whether light also impacts another key property of the circadian oscillation, its amplitude. To this end, we measured rhythms in behavioural activity and body temperature, and SCN electrophysiological activity in the diurnal murid rodent Rhabdomys pumilio following stable entrainment to 12:12 light:dark cycles at 4 different daytime intensities (ranging from 12.77 to 14.80 log melanopsin effective photons/cm 2 /s). Rhabdomys showed strongly diurnal activity and body temperature rhythms in all conditions, but measures of rhythm robustness were positively correlated with daytime irradiance under both entrainment and subsequent free run. Whole-cell and extracellular recordings of electrophysiological activity in ex vivo SCN revealed substantial differences in electrophysiological activity between dim and bright light conditions. At lower daytime irradiance, daytime peaks in SCN spontaneous firing rate and membrane depolarisation were substantially depressed, leading to an overall marked reduction in the amplitude of circadian rhythms in spontaneous activity. Our data reveal a previously unappreciated impact of daytime light intensity on SCN physiology and the amplitude of circadian rhythms, and highlight the potential importance of daytime light exposure for circadian health.

Abstract Background Light is a key environmental regulator of physiology and behaviour. Mistimed or insufficient light disrupts circadian rhythms and is associated with impaired health and well-being across mammals. Appropriate lighting is therefore crucial for indoor housed mammals. The most commonly used measurement for lighting is lux. However, this employs a spectral weighting function based on human perceived brightness and is not suitable for ‘non-visual’ effects of light or use across species. In humans, a photoreceptor-specific (α-opic) metrology system has been proposed as a more appropriate way of measuring light. Results Here we establish technology to allow this α-opic measurement approach to be readily extended to any mammalian species, accounting for differences in photoreceptor types, photopigment spectral sensitivities, and eye anatomy. Since measuring photopigment spectral sensitivity can be hard to derive for novel animals and photoreceptors, we developed a high-throughput, easy-to-use, method to derive spectral sensitivities for recombinantly expressed melanopsins and use it to establish the spectral sensitivity of melanopsin from 12 non-human mammals. We further address the need for simple measurement strategies for species-specific α-opic measures by developing an accessible online toolbox for calculating these units and validating an open hardware, low-cost, multichannel light sensor for ‘point and click’ measurement. We finally demonstrate that species-specific α-opic measurements are superior to photopic lux as predictors of physiological responses to light in mice and allow ecologically relevant comparisons of photosensitivity between species. Conclusion Our study demonstrates that measuring light more accurately using species-specific α-opic units is superior to the existing unit of photopic lux and holds the promise of improvements to the health and welfare of animals, scientific research reproducibility, agricultural productivity, and energy usage.

Abstract Daily or circadian rhythms in mammals are orchestrated by a master circadian clock within the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN). Here, cell-autonomous oscillations in gene expression, intrinsic membrane properties, and synaptic communication shape the electrical landscape of the SCN across the circadian day, rendering SCN neurons overtly more active during the day than at night. This well-accepted hallmark bioelectrical feature of the SCN has overwhelmingly emerged from studies performed on a small number of nocturnal rodent species. Therefore, for the first time, we investigate the spontaneous and evoked electrical activity of SCN neurons in a diurnal mammal. To this end, we measured the electrical activity of individual SCN neurons during the day and at night in brain slices prepared from the diurnal murid rodent Rhabdomys pumilio and then developed cutting-edge data assimilation and mathematical modelling approaches to uncover the underlying ionic mechanisms. We find that R. pumilio SCN neurons were more excited in the day than at night, recapitulating the prototypical pattern of SCN neuronal activity previously observed in nocturnal rodents. By contrast, the evoked activity of R. pumilio neurons included a prominent suppressive response that is not present in the SCN of nocturnal rodents. Our computational modelling approaches reveal transient subthreshold A-type potassium channels as the primary determinant of the suppressive response and highlight a key role for this ionic mechanism in tuning excitability of clock neurons and optimising SCN function to accommodate R. pumilio’s diurnal niche.

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.