Keeping track of worm trackers

C. elegans is used extensively as a model system in the neurosciences due to its well defined nervous system. However, the seeming simplicity of this nervous system in anatomical structure and neuronal connectivity, at least compared to higher animals, underlies a rich diversity of behaviors. The usefulness of the worm in genome-wide mutagenesis or RNAi screens, where thousands of strains are assessed for phenotype, emphasizes the need for computational methods for automated parameterization of generated behaviors. In addition, behaviors can be modulated upon external cues like temperature, O2 and CO2 concentrations, mechanosensory and chemosensory inputs. Different machine vision tools have been developed to aid researchers in their efforts to inventory and characterize defined behavioral “outputs”. Here we aim at providing an overview of different worm-tracking packages or video analysis tools designed to quantify different aspects of locomotion such as the occurrence of directional changes (turns, omega bends), curvature of the sinusoidal shape (amplitude, body bend angles) and velocity (speed, backward or forward movement)

Two-photon imaging and analysis of neural network dynamics

The glow of a starry night sky, the smell of a freshly brewed cup of coffee or the sound of ocean waves breaking on the beach are representations of the physical world that have been created by the dynamic interactions of thousands of neurons in our brains. How the brain mediates perceptions, creates thoughts, stores memories and initiates actions remains one of the most profound puzzles in biology, if not all of science. A key to a mechanistic understanding of how the nervous system works is the ability to analyze the dynamics of neuronal networks in the living organism in the context of sensory stimulation and behaviour. Dynamic brain properties have been fairly well characterized on the microscopic level of individual neurons and on the macroscopic level of whole brain areas largely with the help of various electrophysiological techniques. However, our understanding of the mesoscopic level comprising local populations of hundreds to thousands of neurons (so called 'microcircuits') remains comparably poor. In large parts, this has been due to the technical difficulties involved in recording from large networks of neurons with single-cell spatial resolution and near- millisecond temporal resolution in the brain of living animals. In recent years, two-photon microscopy has emerged as a technique which meets many of these requirements and thus has become the method of choice for the interrogation of local neural circuits. Here, we review the state-of-research in the field of two-photon imaging of neuronal populations, covering the topics of microscope technology, suitable fluorescent indicator dyes, staining techniques, and in particular analysis techniques for extracting relevant information from the fluorescence data. We expect that functional analysis of neural networks using two-photon imaging will help to decipher fundamental operational principles of neural microcircuits.Comment: 36 pages, 4 figures, accepted for publication in Reports on Progress in Physic

Microbial light-activatable proton pumps as neuronal inhibitors to functionally dissect neuronal networks in C. elegans

Essentially any behavior in simple and complex animals depends on neuronal network function. Currently, the best-defined system to study neuronal circuits is the nematode Caenorhabditis elegans, as the connectivity of its 302 neurons is exactly known. Individual neurons can be activated by photostimulation of Channelrhodopsin-2 (ChR2) using blue light, allowing to directly probe the importance of a particular neuron for the respective behavioral output of the network under study. In analogy, other excitable cells can be inhibited by expressing Halorhodopsin from Natronomonas pharaonis (NpHR) and subsequent illumination with yellow light. However, inhibiting C. elegans neurons using NpHR is difficult. Recently, proton pumps from various sources were established as valuable alternative hyperpolarizers. Here we show that archaerhodopsin-3 (Arch) from Halorubrum sodomense and a proton pump from the fungus Leptosphaeria maculans (Mac) can be utilized to effectively inhibit excitable cells in C. elegans. Arch is the most powerful hyperpolarizer when illuminated with yellow or green light while the action spectrum of Mac is more blue-shifted, as analyzed by light-evoked behaviors and electrophysiology. This allows these tools to be combined in various ways with ChR2 to analyze different subsets of neurons within a circuit. We exemplify this by means of the polymodal aversive sensory ASH neurons, and the downstream command interneurons to which ASH neurons signal to trigger a reversal followed by a directional turn. Photostimulating ASH and subsequently inhibiting command interneurons using two-color illumination of different body segments, allows investigating temporal aspects of signaling downstream of ASH

Precise multimodal optical control of neural ensemble activity.

Understanding brain function requires technologies that can control the activity of large populations of neurons with high fidelity in space and time. We developed a multiphoton holographic approach to activate or suppress the activity of ensembles of cortical neurons with cellular resolution and sub-millisecond precision. Since existing opsins were inadequate, we engineered new soma-targeted (ST) optogenetic tools, ST-ChroME and IRES-ST-eGtACR1, optimized for multiphoton activation and suppression. Employing a three-dimensional all-optical read-write interface, we demonstrate the ability to simultaneously photostimulate up to 50 neurons distributed in three dimensions in a 550 × 550 × 100-µm3 volume of brain tissue. This approach allows the synthesis and editing of complex neural activity patterns needed to gain insight into the principles of neural codes

Optomotor Swimming in Larval Zebrafish Is Driven by Global Whole-Field Visual Motion and Local Light-Dark Transitions

Stabilizing gaze and position within an environment constitutes an important task for the nervous system of many animals. The optomotor response (OMR) is a reflexive behavior, present across many species, in which animals move in the direction of perceived whole-field visual motion, therefore stabilizing themselves with respect to the visual environment. Although the OMR has been extensively used to probe visuomotor neuronal circuitry, the exact visual cues that elicit the behavior remain unidentified. In this study, we use larval zebrafish to identify spatio-temporal visual features that robustly elicit forward OMR swimming. These cues consist of a local, forward-moving, off edge together with on/off symmetric, similarly directed, global motion. Imaging experiments reveal neural units specifically activated by the forward-moving light-dark transition. We conclude that the OMR is driven not just by whole-field motion but by the interplay between global and local visual stimuli, where the latter exhibits a strong light-dark asymmetry

From sensory cues to complex behaviour : towards an understanding of the neuronal computations underlying sensorimotor transformation in Caenorhabditis elegans

Tese de mestrado, Neurociências, Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2020Sobrevivência em ambientes em rápida mudança requer mecanismos aprimorados que permitam aos organismos responder rapidamente a pistas sensoriais, captadas do meio envolvente, e a adaptarem o seu comportamento de forma adequada. O processamento, por parte do sistema nervoso dos organismos, dos mecanismos subjacentes a integração sensório-motora (a transformação de sinais sensoriais em outputs motores) e um dos processos mais fundamentais e, no entanto, mal compreendidos, em neurociências. Neste estudo, visou-se investigar de que forma o nemátodo Caenorhabditis elegans (C. elegans) efetua a transformação sensório-motora num dos seus principais circuitos neuronais de processamento de informação, fundamental na criação de comportamentos provocados pela perceção de odores. O conectoma de C. elegans foi minuciosamente estudado e mapeado, o que levou a que este nemátodo seja considerado um modelo biológico valioso para o estudo de circuitos neuronais e das suas funções. C. elegans e um organismo facilmente manipulável geneticamente. Transgenes que codificam indicadores de cálcio, como e exemplo GCaMP (genetically encoded calcium indicator), podem ser facilmente expressos em neurónios de interesse. GCaMP e uma variante de GFP (Green Fluorescent Protein) que sofre mudanças conformacionais mediante ligação a iões Ca2+ que fluem para o meio intracelular durante um evento de despolarização. Esta mudança conformacional provoca a emissão de fluorescência verde quando o organismo e iluminado com luz azul num setup de microscopia. A transparência de C. elegans torna indicadores de cálcio muito adequados para medição de atividade neuronal neste organismo. Com o advento de técnicas de microscopia para medição de atividade neuronal em C. elegans, foram desenvolvidos dispositivos microfluídicos que permitem manter o organismo imobilizado e sob condições ambientais controladas. A possibilidade de manter o ambiente exterior do organismo sob condições controladas permite o registo da atividade de neurónios específicos, ou mesmo de todo o sistema nervoso, em resolução single-cell, durante ambientes sensoriais constantes ou variáveis, permitindo a atribuição de padrões de atividade neuronal ao efeito de inputs sensoriais. De forma a quimiotaxar em direção a ambientes atrativos, C. elegans executa biased random walks, que consiste num aumento da duração de períodos de movimento dianteiro e uma diminuição na sequencia de manobras de reorientação. Executa também klinotaxis, o comportamento de oscilação da zona anterior do corpo em direções preferenciais, durante períodos de movimento dianteiro. Os princípios subjacentes as transformações sensório-motoras que influenciam o comportamento do organismo, de forma a causar um aumento ou diminuição da frequência de períodos de reversão, são ainda largamente desconhecidos. O interneurónio AIY e particularmente interessante para estudar estas questões, uma vez que este interneurónio recebe sinapses diretas de múltiplos neurónios sensoriais, e estabelece conexões reciprocas com vários neurónios, tendo estes funções na modulação da estratégia de locomoção. AIY foi previamente considerado como sendo fundamental e suficiente para a modulação de circuitos neuronais que, probabilisticamente, influenciam as principais estratégias comportamentais de C. elegans. Assim, estudar os mecanismos que estão na base da transformação sensório-motora que ocorre em AIY e da maior importância. Desta forma, será possível compreender os mecanismos empregados pelo sistema nervoso deste nemátodo, que codificam a execução de comportamentos fundamentais para a sua sobrevivência e fitness evolutivo: a habilidade de quimiotaxar em direção a ambientes sensoriais vantajosos. Em organismos que se movem livremente, o registo da atividade neuronal de células singulares com a gravação simultânea do comportamento do animal, permitiu estabelecer uma relação entre atividade neuronal e a execução de diferentes estratégias de locomoção, em múltiplos neurónios. Foi ainda observado, em estudos anteriores, que neurónios coativos em organismos imobilizados, estão também ativos durante o mesmo estado comportamental em animais que se movem livremente. Assim, a atividade de neurónios ativos em animais imobilizados pode ser diretamente relacionada com uma estratégia de locomoção. Embora o animal não esteja capaz de efetivar o comportamento codificado, um sinal de comando motor e gerado no sistema nervoso do animal. Desta forma, e possível compreender como e que o sistema nervoso do C. elegans combina estados comportamentais com inputs sensoriais, em animais imobilizados. Neurónios sensoriais em C. elegans possuem terminações nervosas expostas ao meio ambiente envolvente e podem reconhecem uma grande variedade de estímulos sensoriais. Neurónios motores enervam células musculares e são os neurónios ultimamente responsáveis pela geração de comportamentos. Interneurónios são considerados neurónios que carecem de terminações nervosas sensoriais ou juncões neuromusculares, por isso estabelecendo a comunicação entre neurónios sensoriais e motores ao formarem uma extensa rede de interações entre os últimos e outros interneurónios. Neste estudo, foram usadas técnicas de biologia molecular para expressar o indicador de cálcio GCaMP em neurónios de interesse: no interneurónio AIY; num dos seus principais parceiros pré-sinápticos – o neurónio sensorial AWC; e no interneurónio RIM. AWC e um neurónio sensorial envolvido na deteção de múltiplos odores, incluindo odor bacteriano. RIM e um interneurónio pré- motor cujos períodos de elevada atividade estão relacionados com a codificação de manobras de reversão. Foi utilizada microscopia confocal de disco giratório para registar a atividade dos neurónios acima mencionados, através das variações intracelulares de cálcio das células, tanto em animais imobilizados, como em animais livres. Observou-se que a atividade de AIY e aqui reportada como sendo dominada por um sinal codificante de estados de comando motor (locomoção dianteira/manobras de reversão), na ausência de mecanismos de feedback propriocetivo ativos. Apesar dos circuitos neuronais existentes no sistema nervoso de C. elegans, responsáveis pela sinalização do estado motor instantâneo para AIY, não serem dissecados, aqui e observada uma modulação da atividade do neurónio anterior a mudança de estado de comando motor. Esta observação e interpretada como uma indicação de que AIY regula a ocorrência de manobras de reversão. AIY recebe input maioritariamente de neurónios sensoriais, sendo, por isso, conhecido como um interneurónio primário. E, por isso, surpreendente encontrar uma regulação de estados de locomoção do animal numa fase tao precoce de transformação sensoriomotora. Estas descobertas vão de encontro a estudos recentes realizados em organismos com sistemas nervosos mais complexos. De seguida, visou-se compreender como e que o sinal dominante que governa a atividade de AIY e combinado com informação sensorial. Para isso, desenvolveu-se um paradigma de estimulação sensorial usando dispositivos microfluídicos que permitem o fornecimento de odores aos animais. Mediu-se a atividade de AWC e AIY em organismos imobilizados, enquanto se providenciou um estimulo sensorial de odor bacteriano. Devido a limitações técnicas do setup experimental usado para estimular o animal, não foi possível recapitular as respostas estereotipadas que o neurónio sensorial AWC apresenta aquando da estimulação sensorial, como reportado em literatura previa. Adicionalmente, não foram encontradas evidencias suficientes para afirmar que a atividade de AIY sofreu influencia do estimulo. Assim, não foi possível compreender em plenitude de que forma AIY combina informação de estados motores com informação sensorial. No entanto, encontrou-se evidencia para transformação sensório-motora, possivelmente através de outros circuitos neuronais que não o aqui estudado, que influenciou a modulação do comportamento animal. Estudos anteriores mostraram que AIY exibe atividade ao longo do axónio e suas projeções axonais, não existindo relatos de dinâmica de cálcio no núcleo ou corpo celular. Não e claro quão frequentemente neurónios mostram diferentes padrões de dinâmica de cálcio no soma ou neurites e, especificamente, quão frequentemente esta estratégia e usada por interneurónios como forma de integrar informação sensorial e motora no mesmo espaço celular. Não se encontrou evidencia de que esta estratégia e usada por AIY, sugerindo que este neurónio usa outras abordagens para combinar sinais de diferentes origens. Finalmente, a atividade de AWC e AIY for registada em animais livres de movimento, na presença de um gradiente bacteriano, uma fonte de alimento para C. elegans e, por isso, um forte estimulo sensorial. Atividade neuronal em animais restringidos de movimento e animais com a capacidade de se moverem livremente mostra diferenças. Deste modo, visou-se compreender como e que a atividade de AIY varia na presença de inputs sensoriais que só um animal livre de locomoção integra (inputs proprioceptivos). A fraca expressão de GCaMP que foi possível obter em AIY neste estudo limitou a resolução espacial e temporal dos dados obtidos, que revelaram ser insuficiente para os objetivos propostos. De um modo geral, este estudo e relevante para a comunidade por sugerir um interneurónio primário como sendo capaz de modular a ocorrência de estados de comando motor em estádios iniciais de integração sensório-motora. Esta estratégia foi recentemente reportada em sistemas nervosos mais complexos, sugerindo ter relevância funcional para múltiplos organismos do reino animal.Survival in fast changing environments requires fine-tuned mechanisms that allow the organisms to rapidly react to sensory cues and adapt their behaviour to respond accordingly. The brain’s computations underlying sensorimotor integration, the transformation of sensory signals into motor outputs, is one of the most fundamental, yet poorly understood, processes in neuroscience. Here, we aim to investigate how the nematode Caenorhabditis elegans achieves sensorimotor transformation, by studying one of its most fundamental neuronal circuits for information processing and odour evoked behaviours. By expressing genetically encoded calcium indicators in neurons of interest, we performed in vivo calcium imaging in immobilised worms, both in an environment deprived of fluctuating sensory stimulation and while delivering an attractive odour to the animals. We reveal the activity of a primary sensory neuron to be dominated by a signal encoding motor command states of the animal, and suggest that this neuron may take part in modulating motor command state transitions in the worm’s brain. Moreover, here, we aimed to study how an attractive cue for the worm affects the coding of behavioural states, and how a single neuron can multiplex both behavioural and sensory information. Finally, we recorded the activity of the same neurons in freely crawling animals as an attempt to understand how sensorimotor transformation varies from immobilised to unrestrained animals. Altogether, this work bears potential relevance to the C. elegans community by suggesting a primary sensory neuron as being capable of modulating motor commands states at early stages of sensorimotor transformation. This strategy has recently been reported in higher-order organisms as well, suggesting that it has functional relevance for organisms across the animal kingdom