Measuring vision in rodents is a critical step for understanding vision, improving models of human disease, and developing therapies. Established behavioural tests for perceptual vision, such as the visual water task, rely on learning. The learning process, while effective for sighted animals, can be laborious and stressful in animals with impaired vision, requiring long periods of training. Current tests that that do not require training are based on sub-conscious, reflex responses (e.g. optokinetic nystagmus) that don't require involvement of visual cortex and higher order thalamic nuclei. A potential alternative for measuring vision relies on using visually guided innate defensive responses, such as escape or freeze, that involve cortical and thalamic circuits. In this study we address this possibility in mice with intact and degenerate retinas. We first develop automatic methods to detect behavioural responses based on high dimensional tracking and changepoint detection of behavioural time series. Using those methods, we show that visually guided innate responses can be elicited using parametisable stimuli, and applied to describing the limits of visual acuity in healthy animals and discriminating degrees of visual dysfunction in mouse models of retinal degeneration.

Animals detect light using opsin photopigments. One recently classified opsin clade, the xenopsins, found in lophotrochozoans, challenges our views on opsin and photoreceptor evolution. Originally thought to belong to the Gαi-coupled ciliary opsins, xenopsins are now understood to have diverged from ciliary opsins in pre-bilaterian times, but little is known about the cells that deploy these proteins, or if they form a photopigment and drive phototransduction. We characterized xenopsin in a flatworm, Maritigrella crozieri, and found that it is expressed in a larval eyespot, and in an abundant extraocular cell type around the adult brain. These distinct cells house hundreds of cilia in an intra-cellular vacuole (a phaosome). Cellular assays show Mc xenopsin forms a photopigment and couples to Gαi/o in response to light. These findings reveal a novel photoreceptor cell type and opsin/G-protein couple, and highlight the convergent enclosure of photosensitive cilia in flatworm phaosomes and jawed vertebrate rods.

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.

ABSTRACT Optogenetic therapy is a promising vision restoration method where light sensitive opsins are introduced to the surviving inner retina following photoreceptor degeneration. The cell type targeted for opsin expression will likely influence the quality of restored vision. However, a like-for-like pre-clinical comparison of visual responses evoked following equivalent opsin expression in the two major targets, ON bipolar (ON BCs) or retinal ganglion cells (RGCs), is absent. We address this deficit by comparing stimulus-response characteristics at single unit resolution in retina and dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) of retinally degenerate mice genetically engineered to express the opsin ReaChR in Grm6- or Brn3c -expressing cells (ON BC vs RGCs respectively). For both targeting strategies, we find ReaChR-evoked responses have equivalent sensitivity and can encode contrast across different background irradiances. Compared to ON BCs, targeting RGCs decreased response reproducibility and resulted in more stereotyped responses with reduced diversity in response polarity, contrast sensitivity and temporal frequency tuning. Recording ReaChR-driven responses in visually intact retinas confirmed that RGC-targeted ReaChR expression disrupts visual feature selectivity of individual RGCs. Our data show that while both approaches restore visual responses with impressive fidelity, ON BC targeting produces a richer visual code better approaching that of wildtype mice.

Abstract Photoreceptor degeneration sufficient to produce severe visual loss often spares the inner retina. This raises the hope that treatments using optogenetics or electrical stimulation, which generate a replacement light input signal in surviving neurons, may restore vision. The success of these approaches is dependent on the capacity of surviving circuits in the early stages of the visual system to generate and propagate an appropriate visual code in the face of neuroanatomical remodelling. To determine the capacity of surviving circuits in advanced retinal degeneration to present an appropriate visual code, we generated a transgenic mouse expressing the optogenetic actuator ReaChR in ON bipolar cells (second order neurons in the visual projection). After crossing this with the rd1 model of photoreceptor degeneration, we compared ReaChR derived responses with photoreceptor-driven responses in wildtype (WT) mice in retinal ganglion cells and visual thalamus. The ReaChR -driven responses in rd1 animals showed low photosensitivity, but in other respects generated a visual code that was very similar to WT. Furthermore, ReaChR rd1 units in the retina had high response reproducibility and showed sensitivity normalisation to code contrast stably across different background intensities. At the single unit level, ReaChR -derived responses exhibited broadly similar variation in light response polarity, contrast sensitivity and temporal frequency tuning as WT. Units from WT and ReaChR rd1 mice clustered together when subjected to unsupervised community detection based on stimulus-response properties. Our data reveal an impressive ability for surviving circuitry to recreate a rich visual code following advanced retinal degeneration and are promising for regenerative medicine in the central nervous system.

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.