Perceptual decisions involve distributed cortical activity. Does information flow sequentially from one cortical area to another, or do networks of interconnected areas contribute at the same time? Here we delineate when and how activity in specific areas drives a whisker-based decision in mice. A short-term memory component temporally separated tactile “sensation” and “action” (licking). Using optogenetic inhibition (spatial resolution, 2 mm; temporal resolution, 100 ms), we surveyed the neocortex for regions driving behavior during specific behavioral epochs. Barrel cortex was critical for sensation. During the short-term memory, unilateral inhibition of anterior lateral motor cortex biased responses to the ipsilateral side. Consistently, barrel cortex showed stimulus-specific activity during sensation, whereas motor cortex showed choice-specific preparatory activity and movement-related activity, consistent with roles in motor planning and movement. These results suggest serial information flow from sensory to motor areas during perceptual decision making.

Neural activity maintains representations that bridge past and future events, often over many seconds. Network models can produce persistent and ramping activity, but the positive feedback that is critical for these slow dynamics can cause sensitivity to perturbations. Here we use electrophysiology and optogenetic perturbations in the mouse premotor cortex to probe the robustness of persistent neural representations during motor planning. We show that preparatory activity is remarkably robust to large-scale unilateral silencing: detailed neural dynamics that drive specific future movements were quickly and selectively restored by the network. Selectivity did not recover after bilateral silencing of the premotor cortex. Perturbations to one hemisphere are thus corrected by information from the other hemisphere. Corpus callosum bisections demonstrated that premotor cortex hemispheres can maintain preparatory activity independently. Redundancy across selectively coupled modules, as we observed in the premotor cortex, is a hallmark of robust control systems. Network models incorporating these principles show robustness that is consistent with data.

The mouse is an increasingly prominent model for the analysis of mammalian neuronal circuits. Neural circuits ultimately have to be probed during behaviors that engage the circuits. Linking circuit dynamics to behavior requires precise control of sensory stimuli and measurement of body movements. Head-fixation has been used for behavioral research, particularly in non-human primates, to facilitate precise stimulus control, behavioral monitoring and neural recording. However, choice-based, perceptual decision tasks by head-fixed mice have only recently been introduced. Training mice relies on motivating mice using water restriction. Here we describe procedures for head-fixation, water restriction and behavioral training for head-fixed mice, with a focus on active, whisker-based tactile behaviors. In these experiments mice had restricted access to water (typically 1 ml/day). After ten days of water restriction, body weight stabilized at approximately 80% of initial weight. At that point mice were trained to discriminate sensory stimuli using operant conditioning. Head-fixed mice reported stimuli by licking in go/no-go tasks and also using a forced choice paradigm using a dual lickport. In some cases mice learned to discriminate sensory stimuli in a few trials within the first behavioral session. Delay epochs lasting a second or more were used to separate sensation (e.g. tactile exploration) and action (i.e. licking). Mice performed a variety of perceptual decision tasks with high performance for hundreds of trials per behavioral session. Up to four months of continuous water restriction showed no adverse health effects. Behavioral performance correlated with the degree of water restriction, supporting the importance of controlling access to water. These behavioral paradigms can be combined with cellular resolution imaging, random access photostimulation, and whole cell recordings.

Persistent and ramping neural activity in the frontal cortex anticipates specific movements1-6. Preparatory activity is distributed across several brain regions7,8, but it is unclear which brain areas are involved and how this activity is mediated by multi-regional interactions. The cerebellum is thought to be primarily involved in the short-timescale control of movement9-12; however, roles for this structure in cognitive processes have also been proposed13-16. In humans, cerebellar damage can cause defects in planning and working memory13. Here we show that persistent representation of information in the frontal cortex during motor planning is dependent on the cerebellum. Mice performed a sensory discrimination task in which they used short-term memory to plan a future directional movement. A transient perturbation in the medial deep cerebellar nucleus (fastigial nucleus) disrupted subsequent correct responses without hampering movement execution. Preparatory activity was observed in both the frontal cortex and the cerebellar nuclei, seconds before the onset of movement. The silencing of frontal cortex activity abolished preparatory activity in the cerebellar nuclei, and fastigial activity was necessary to maintain cortical preparatory activity. Fastigial output selectively targeted the behaviourally relevant part of the frontal cortex through the thalamus, thus closing a cortico-cerebellar loop. Our results support the view that persistent neural dynamics during motor planning is maintained by neural circuits that span multiple brain regions17, and that cerebellar computations extend beyond online motor control13-15,18.

Mammalian cerebral cortex is accepted as being critical for voluntary motor control, but what functions depend on cortex is still unclear. Here we used rapid, reversible optogenetic inhibition to test the role of cortex during a head-fixed task in which mice reach, grab, and eat a food pellet. Sudden cortical inhibition blocked initiation or froze execution of this skilled prehension behavior, but left untrained forelimb movements unaffected. Unexpectedly, kinematically normal prehension occurred immediately after cortical inhibition, even during rest periods lacking cue and pellet. This ‘rebound’ prehension was only evoked in trained and food-deprived animals, suggesting that a motivation-gated motor engram sufficient to evoke prehension is activated at inhibition’s end. These results demonstrate the necessity and sufficiency of cortical activity for enacting a learned skill.

Optogenetics allows manipulations of genetically and spatially defined neuronal populations with excellent temporal control. However, neurons are coupled with other neurons over multiple length scales, and the effects of localized manipulations thus spread beyond the targeted neurons. We benchmarked several optogenetic methods to inactivate small regions of neocortex. Optogenetic excitation of GABAergic neurons produced more effective inactivation than light-gated ion pumps. Transgenic mice expressing the light-dependent chloride channel GtACR1 produced the most potent inactivation. Generally, inactivation spread substantially beyond the photostimulation light, caused by strong coupling between cortical neurons. Over some range of light intensity, optogenetic excitation of inhibitory neurons reduced activity in these neurons, together with pyramidal neurons, a signature of inhibition-stabilized neural networks ('paradoxical effect'). The offset of optogenetic inactivation was followed by rebound excitation in a light dose-dependent manner, limiting temporal resolution. Our data offer guidance for the design of in vivo optogenetics experiments.