Currently there is no general approach for achieving specific optogenetic control of genetically defined cell types in rats, which provide a powerful experimental system for numerous established neurophysiological and behavioral paradigms. To overcome this challenge we have generated genetically restricted recombinase-driver rat lines suitable for driving gene expression in specific cell types, expressing Cre recombinase under the control of large genomic regulatory regions (200-300 kb). Multiple tyrosine hydroxylase (Th)::Cre and choline acetyltransferase (Chat)::Cre lines were produced that exhibited specific opsin expression in targeted cell types. We additionally developed methods for utilizing optogenetic tools in freely moving rats and leveraged these technologies to clarify the causal relationship between dopamine (DA) neuron firing and positive reinforcement, observing that optical stimulation of DA neurons in the ventral tegmental area (VTA) of Th::Cre rats is sufficient to support vigorous intracranial self-stimulation (ICSS). These studies complement existing targeting approaches by extending the generalizability of optogenetics to traditionally non-genetically-tractable but vital animal models.

Different subregions of the bed nucleus of the stria terminalis are shown to increase and decrease anxiety in mice, and distinct neural projections arising from a single coordinating brain region modulate different anxiety features. The bed nucleus of the stria terminalis (BNST), a brain area involved in fear and anxiety, also projects into brain areas with contrasting roles, including some involved in the reward response. Two papers now dissect out the functional properties of various subregions of projections of BNST in mice. Garret Stuber and colleagues examine BNST projections to the ventral tegmental area and find that glutamatergic and GABAergic projections have opposing effects on reward and aversion. Karl Deisseroth and colleagues find that different subregions of BNST increase and decrease anxiety, and that distinct projections modulate different features of anxiety. This work suggests that anxiety arises not from a single neural circuit, but from the interplay between anxiety-producing and anxiety-reducing circuits. Behavioural states in mammals, such as the anxious state, are characterized by several features that are coordinately regulated by diverse nervous system outputs, ranging from behavioural choice patterns to changes in physiology (in anxiety, exemplified respectively by risk-avoidance and respiratory rate alterations)1,2. Here we investigate if and how defined neural projections arising from a single coordinating brain region in mice could mediate diverse features of anxiety. Integrating behavioural assays, in vivo and in vitro electrophysiology, respiratory physiology and optogenetics, we identify a surprising new role for the bed nucleus of the stria terminalis (BNST) in the coordinated modulation of diverse anxiety features. First, two BNST subregions were unexpectedly found to exert opposite effects on the anxious state: oval BNST activity promoted several independent anxious state features, whereas anterodorsal BNST-associated activity exerted anxiolytic influence for the same features. Notably, we found that three distinct anterodorsal BNST efferent projections—to the lateral hypothalamus, parabrachial nucleus and ventral tegmental area—each implemented an independent feature of anxiolysis: reduced risk-avoidance, reduced respiratory rate, and increased positive valence, respectively. Furthermore, selective inhibition of corresponding circuit elements in freely moving mice showed opposing behavioural effects compared with excitation, and in vivo recordings during free behaviour showed native spiking patterns in anterodorsal BNST neurons that differentiated safe and anxiogenic environments. These results demonstrate that distinct BNST subregions exert opposite effects in modulating anxiety, establish separable anxiolytic roles for different anterodorsal BNST projections, and illustrate circuit mechanisms underlying selection of features for the assembly of the anxious state.

Precisely defining the roles of specific cell types is an intriguing frontier in the study of intact biological systems and has stimulated the rapid development of genetically encoded tools for observation and control. However, targeting these tools with adequate specificity remains challenging: most cell types are best defined by the intersection of two or more features such as active promoter elements, location and connectivity. Here we have combined engineered introns with specific recombinases to achieve expression of genetically encoded tools that is conditional upon multiple cell-type features, using Boolean logical operations all governed by a single versatile vector. We used this approach to target intersectionally specified populations of inhibitory interneurons in mammalian hippocampus and neurons of the ventral tegmental area defined by both genetic and wiring properties. This flexible and modular approach may expand the application of genetically encoded interventional and observational tools for intact-systems biology.

Top-down prefrontal cortex inputs to the hippocampus have been hypothesized to be important in memory consolidation, retrieval, and the pathophysiology of major psychiatric diseases; however, no such direct projections have been identified and functionally described. Here we report the discovery of a monosynaptic prefrontal cortex (predominantly anterior cingulate) to hippocampus (CA3 to CA1 region) projection in mice, and find that optogenetic manipulation of this projection (here termed AC–CA) is capable of eliciting contextual memory retrieval. To explore the network mechanisms of this process, we developed and applied tools to observe cellular-resolution neural activity in the hippocampus while stimulating AC–CA projections during memory retrieval in mice behaving in virtual-reality environments. Using this approach, we found that learning drives the emergence of a sparse class of neurons in CA2/CA3 that are highly correlated with the local network and that lead synchronous population activity events; these neurons are then preferentially recruited by the AC–CA projection during memory retrieval. These findings reveal a sparsely implemented memory retrieval mechanism in the hippocampus that operates via direct top-down prefrontal input, with implications for the patterning and storage of salient memory representations. Here, a sparse neuronal projection from a part of the prefrontal cortex, the anterior cingulate, to the hippocampus is identified that, when activated, can elicit memory retrieval in mice. Recent work has begun to explore how neural ensembles in the hippocampus encode and reactivate a memory, but relatively little is known about how hypothesized 'top-down' inputs arising in the cortex could potentially influence memory processes. Here Karl Deisseroth and colleagues develop new tools and strategies to identify a sparse neuronal projection from the anterior cingulate (part of the prefrontal cortex) to the hippocampus. When activated, these projections can elicit memory retrieval in mice.

Frame-projected independent-fiber photometry (FIP) enables the concurrent monitoring and manipulation of neural activity at multiple sites in the brains of freely behaving mice. Real-time activity measurements from multiple specific cell populations and projections are likely to be important for understanding the brain as a dynamical system. Here we developed frame-projected independent-fiber photometry (FIP), which we used to record fluorescence activity signals from many brain regions simultaneously in freely behaving mice. We explored the versatility of the FIP microscope by quantifying real-time activity relationships among many brain regions during social behavior, simultaneously recording activity along multiple axonal pathways during sensory experience, performing simultaneous two-color activity recording, and applying optical perturbation tuned to elicit dynamics that match naturally occurring patterns observed during behavior.

How to link and separate memories Engrams are the changes in brain tissue that store single memories. Neuroscientists can localize and manipulate them, but until now, little was known about how multiple engrams interact to influence memories. Rashid et al. examined how neural assemblies in an area called the lateral amygdala interact. If two frightening events occurred within 6 hours, the same set of neurons was used to express fear memories for both events. However, if the events were separated by 24 hours, distinct memory traces were formed. Science , this issue p. 383

Optogenetic Insights Mapping functional neural circuits for many behaviors has been almost impossible, so Vogelstein et al. (p. 386 , published online 27 March; see the Perspective by O'Leary and Marder ) developed a broadly applicable optogenetic method for neuron-behavior mapping and used it to phenotype larval Drosophila and thus developed a reference atlas. As optogenetic experiments become routine in certain fields of neuroscience research, creating even more specialized tools is imperative (see the Perspective by Hayashi ). By engineering channelrhodopsin, Wietek et al. (p. 409 , published online 27 March) and Berndt et al. (p. 420 ) created two different light-gated anion channels to block action potential generation during synaptic stimulation or depolarizing current injections. These new tools not only improve understanding of channelrhodopsins but also provide a way to silence cells.

Using optogenetics to modulate the excitation/inhibition balance in the prefrontal cortex of an autism-like mouse model rescued social behavior deficits.

Significance Channelrhodopsins are membrane proteins that enable cellular regulation of transmembrane ion conductance through light-gated pores; these proteins have found application in optogenetics. This paper tests the hypothesis that selectivity of channelrhodopsins is determined by surface potential of the pore region: Cations are conducted by a negatively charged pore, and chloride ions are conducted by a pore that has neutral and positively charged residues. In confirming this hypothesis and applying the resulting principles, we engineer improved chloride-conducting channels with higher chloride selectivity and conductivity. We also provide insights into the distinct mechanisms underlying inhibition mediated by higher-efficiency chloride channels compared with ion pumps. Finally, we demonstrate initial utility of light-gated microbial opsin-based chloride channels in controlling behavior of freely moving animals.