Large-scale recording of spike train ensembles from muscle fibers during skilled behavior in mice and songbirds

在小鼠和鸣禽的熟练行为过程中大规模记录肌肉纤维的尖峰训练组

基本信息

  • 批准号:
    10303478
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.1万
  • 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:
    2021-01-01 至 2024-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

A crucial problem in neuroscience is to understand how the brain coordinates muscle activity to produce behavior. For decades, researchers have approached this problem by recording spiking activity in motor areas and attempting to understand how cortical spike trains control motor output, which is characterized either by the behavior itself (e.g. hand trajectories) or by standard EMG methods (which provide a bulk, multiunit measure of muscle activity levels). Recent advances in both neural recording hardware now allow spike trains from a large number of neurons to be recorded simultaneously. Furthermore, novel computational methods for analyzing large datasets of concurrently-recorded neural activity have led to dramatic new insights into how cortical networks encode behavior. However, there are currently no methods for recording large spiking ensembles in muscle cells during behavior, hindering our understanding of how the nervous system ultimately coordinates movement. This unmet need hinders our understanding of brain function, both from the perspective of comprehending the normal function of the nervous system and in designing clinical applications that might use EMG activity to enable patients to control prostheses. This proposal builds on the recent invention (by PI Sober's group) of a novel class of flexible electrode array that sits on the muscle surface and provides single-unit recordings of individual motor units, the collection of muscle fibers innervated by a single motor neuron. We will build on these preliminary results to develop and validate technologies for recording the entire ensemble of muscles in both the songbird vocal organ and the mouse forelimb. To do so we will advance the current design by scaling it up the channel count by orders of magnitude, developing species- specific array morphologies that can record units from all relevant muscles simultaneously, embedding active circuitry within the flexible array to allow data multiplexing, and creating and distributing software tools for processing and analyzing the resulting datasets.
神经科学的一个关键问题是了解大脑如何协调肌肉活动以产生 行为。几十年来,研究人员通过记录运动区域的尖峰活动来解决这个问题 并试图了解皮质尖峰序列如何控制运动输出,其特征是 行为本身(例如手部轨迹)或通过标准 EMG 方法(提供批量、多单元 测量肌肉活动水平)。神经记录硬件的最新进展现在允许尖峰序列 来自大量神经元的同时记录。此外,新颖的计算方法 分析同时记录的神经活动的大型数据集已经产生了关于如何 皮质网络编码行为。然而,目前还没有记录大尖峰的方法 行为过程中肌肉细胞中的集合,阻碍了我们对神经系统最终如何运作的理解 协调运动。这种未满足的需求阻碍了我们对大脑功能的理解,无论是从 理解神经系统正常功能和设计临床应用的视角 可能会利用肌电图活动使患者能够控制假肢。该提案建立在最近的 PI Sober 小组发明了一种新型柔性电极阵列,该电极阵列位于肌肉表面, 提供单个运动单元的单单元记录,即由单个运动单元支配的肌纤维的集合 运动神经元。我们将在这些初步结果的基础上开发和验证记录技术 鸣禽发声器官和小鼠前肢的整个肌肉群。为此,我们将 通过将通道数扩大几个数量级来推进当前的设计,开发物种 特定的阵列形态,可以同时记录所有相关肌肉的单位,嵌入活动 灵活阵列内的电路允许数据复用,并创建和分发软件工具 处理和分析结果数据集。

项目成果

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