Striatal Microcircuit Dynamics
纹状体微电路动力学
基本信息
- 批准号:10281166
- 负责人:
- 金额:$ 45.31万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2021
- 资助国家:美国
- 起止时间:2021-07-01 至 2026-06-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:AcetylcholineAffectAmphetaminesBehaviorBehavior ControlBehavioralBilateralBradykinesiaBrainBrain DiseasesCalciumCalcium SignalingCellsCognitiveCorpus striatum structureCuesDataDecision MakingDopamineDopaminergic AgentsDorsalDystoniaElectrophysiology (science)EventFiber OpticsFunctional disorderGilles de la Tourette syndromeGoalsHumanIndividualInfusion proceduresInterneuronsInvestigationJointsKnowledgeLaboratoriesLearningMethodsModelingMonitorMotorMovementNeuronsOpticsOxidopamineParkinson DiseaseParvalbuminsPathway interactionsPatternPhotometryPlayPopulationProcessPsychological reinforcementRattusReaction TimeRecording of previous eventsResearchRewardsRodent ModelRoleSensoryShapesSideSignal TransductionSliceSomatostatinStructureTestingTrainingVariantVisioncomputer frameworkdesignexpectationexperimental studyimprovedinformation processinginnovationinnovative technologiesinsightnervous system disorderoperationoptogeneticsprogramsreward anticipationsensortemporal measurementtool
项目摘要
Summary / Abstract
The dorsal striatum (DS) is an important brain structure for normal sensorimotor control, including
decisions about how vigorously to move. As one example, loss of the dopamine input to DS is responsible for
bradykinesia in Parkinson's Disease. Yet how DS circuits processes information, and how this information
processing is modulated by dopamine, are not well understood.
DS circuits include sparse populations of interneurons - most commonly expressing either parvalbumin
(PV+), somatostatin (SST+) or acetylcholine (ChAT+). Interneurons appear to coordinate the activity of striatal
spiny projection neurons (SPNs), and alterations in striatal interneurons are found in human Tourette
Syndrome and rodent models of dystonia. Studies in brain slices have found many ways in which striatal
interneurons can affect SPNs and each other, via direct connections and by modulation of dopamine release.
However it has been challenging to connect these various results together into a coherent vision of DS
microcircuit function. Progress has been hampered by the lack of critical data about the joint activity patterns of
DS interneurons, SPNs, and local dopamine fluctuations, at precise moments during well-controlled behavioral
tasks.
To overcome this obstacle, this proposal uses an innovative, technically-advanced combination of
behavioral electrophysiology, optogenetics and optical dopamine sensors. We will perform real-time
measurements and manipulations of DS interneurons and dopamine, as freely-moving rats respond to cues.
The response times depend on rats' reward expectation for the selected action. Taking advantage of the
computational framework of reinforcement learning to derive trial-by-trial estimates of internal decision-
variables, we will test specific hypotheses about how the activity of distinct interneuron types is shaped by
recent choice and reward history.
Aim 1 will characterize the activity of DS PV+, SST+ and ChAT+ interneurons as actions are initiated. In
both dorsolateral and dorsomedial striatum we will record bulk calcium signals from each subpopulation, or the
spiking of identified interneurons, simultaneously with dopamine signals. Aim 2 will examine how, and when,
transient suppression of interneurons affects movement initiation and the activity of nearby SPN ensembles.
Aim 3 will determine how loss of DS dopamine jointly affects interneuron activity and behavior.
The long-term goals of this research program are to determine the fundamental operational principles
of striatal circuits. This knowledge would be of immense value in designing improved therapies for a wide
range of human neurological disorders.
摘要/摘要
背侧纹状体(DS)是正常感觉运动控制的重要大脑结构,包括
关于如何积极移动的决定。举个例子,DS 多巴胺输入的损失是导致
帕金森病中的运动迟缓。然而 DS 电路如何处理信息,以及这些信息如何
加工过程是由多巴胺调节的,目前尚不清楚。
DS 回路包括稀疏的中间神经元群 - 最常表达小清蛋白
(PV+)、生长抑素 (SST+) 或乙酰胆碱 (ChAT+)。中间神经元似乎协调纹状体的活动
在人类妥瑞氏症中发现了多刺投射神经元 (SPN) 和纹状体中间神经元的改变
肌张力障碍综合征和啮齿动物模型。对大脑切片的研究发现纹状体通过多种方式
中间神经元可以通过直接连接和调节多巴胺释放来影响 SPN 和彼此。
然而,将这些不同的结果连接起来形成一个连贯的 DS 愿景一直是一个挑战。
微电路功能。由于缺乏有关联合活动模式的关键数据,进展受到阻碍。
DS 中间神经元、SPN 和局部多巴胺波动,在良好控制的行为期间的精确时刻
任务。
为了克服这一障碍,该提案采用了创新的、技术先进的组合
行为电生理学、光遗传学和光学多巴胺传感器。我们将实时进行
当自由移动的老鼠对提示做出反应时,测量和操作 DS 中间神经元和多巴胺。
反应时间取决于大鼠对所选动作的奖励期望。利用
强化学习的计算框架,用于推导内部决策的逐次试验估计
变量,我们将测试关于不同中间神经元类型的活动如何被塑造的具体假设
最近的选择和奖励历史。
目标 1 将描述 DS PV+、SST+ 和 ChAT+ 中间神经元在行动启动时的活动特征。在
在背外侧和背内侧纹状体中,我们将记录来自每个亚群的大量钙信号,或者
已识别的中间神经元的尖峰,与多巴胺信号同时发生。目标 2 将研究如何以及何时
中间神经元的短暂抑制会影响运动启动和附近 SPN 群的活动。
目标 3 将确定 DS 多巴胺的损失如何共同影响中间神经元的活动和行为。
该研究计划的长期目标是确定基本操作原则
纹状体回路。这些知识对于为广泛的患者设计改进的疗法具有巨大的价值。
一系列人类神经系统疾病。
项目成果
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