Circuit mechanisms of self-organized cognitive strategies

自组织认知策略的回路机制

基本信息

  • 批准号:
    10337212
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45.15万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-02-05 至 2025-01-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary Decades of psychology research have shown that working memory is limited, and humans can only hold a few items in mind at the same time. However, cognitive tasks like planning and problem solving require access to many pieces of information at once. To overcome this constraint, we enlist mnemonic strategies, for instance grouping pieces of information into chunks, as we commonly do to remember telephone or social security numbers. Mnemonic chunking allows us to flexibly organize information on line, providing a fundamental building block for advanced cognitive abilities. Chunking impairments occur when damage or dysfunction involves the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC), for instance in patients with schizophrenia, and severely compromises overall cognitive function. Thus, determining how the brain organizes information is a necessary step toward understanding the mechanisms of advanced cognition, and how these go awry in disease states. A key challenge is that strategies for organizing information are self-generated and highly variable in a laboratory setting. A central innovation of this proposal is the novel computational approach used to identify spontaneous mnemonic chunking in macaque monkeys. This is critical because animal models allow us to interrogate brain function with advanced neurophysiological tools. Here, we will use high-density, multi-site recording and targeted neuromodulation to understand the circuit mechanisms that chunk mnemonic information. Previous theoretical work suggests that chunks arise from compressed working memory representations that act as neural shorthand, economizing on processing resources at the cost of degrading some original information. Neurons in dlPFC encode items in working memory, and their dynamics are shaped by recurrent interactions with the basal ganglia. Thus, we hypothesize that corticostriatal interactions promote the efficient reorganization of working memory that underlies chunking. To test this we will investigate dlPFC- striatal dynamics when monkeys spontaneously chunk information in a self-organized working memory task. We will record large numbers of single neurons and local field potentials, and dynamically decode representations held in working memory to assess how mnemonic codes and corticostriatal interactions change when items are or are not chunked. In addition, exogenous stimulation will test the causal role of striatal circuits in promoting the formation of mnemonic chunks. Together, these experiments will determine how the brain establishes mnemonic chunks to optimize working memory performance. This will shed light on a fundamental feature of advanced cognition, and how dysfunction in these mechanisms could give rise to disorders of thought and memory. Finally, understanding mechanisms that optimize cognitive function in a biological system may fuel creative advances that optimize performance in artificial intelligence systems.
项目摘要 数十年的心理学研究表明,工作记忆是有限的,人类只能持有一些 同时牢记项目。但是,诸如计划和解决问题之类的认知任务需要访问 一次信息。为了克服这一限制,我们征集了助记符策略,例如 像我们通常要记住电话或社会保障一样,将信息分组为块 数字。疯子块使我们能够灵活地组织信息,提供基本的信息 高级认知能力的基础。损坏或功能障碍时发生损伤 涉及背外侧前额叶皮层(DLPFC),例如精神分裂症患者,严重 妥协总体认知功能。因此,确定大脑如何组织信息是必要的 迈向理解高级认知机制的一步,以及在疾病状态下它们如何出现问题。 一个关键的挑战是,组织信息的策略是自我生成的,并且在 实验室环境。该提案的中心创新是用于识别的新型计算方法 猕猴的自发助记符分块。这很关键,因为动物模型使我们能够 使用先进的神经生理工具来询问大脑功能。在这里,我们将使用高密度,多站点 记录和有针对性的神经调节,以了解缩小助记符的电路机制 信息。以前的理论工作表明,压缩的工作记忆产生了块 充当神经速记的表征,以降级为代价进行处理资源的节省 一些原始信息。 DLPFC中的神经元编码工作内存中的项目,其动力学是形状的 通过与基底神经节的复发相互作用。因此,我们假设皮质纹状体相互作用促进 构成大块的工作记忆的有效重组。为了测试这一点,我们将研究DLPFC- 当猴子在自组织的工作记忆任务中自发块信息时,纹状体动态。 我们将记录大量的单神经元和局部现场电位,并动态解码 在工作记忆中保持的表示形式,以评估助记符代码和皮质纹状体相互作用 当物品分解或不分解时更改。另外,外源刺激将测试 纹状体电路促进助记符块的形成。这些实验将共同确定 大脑如何建立助理块以优化工作记忆性能。这将揭示 高级认知的一个基本特征,以及这些机制的功能障碍如何引起 思想和记忆的障碍。最后,了解优化认知功能的机制 生物系统可能会推动创造性进步,以优化人工智能系统的性能。

项目成果

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