Supercomputer-based Models of Motoneurons for Estimating Their Synaptic Inputs in Humans
基于超级计算机的运动神经元模型,用于估计人类突触输入
基本信息
- 批准号:10467557
- 负责人:
- 金额:$ 66.9万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-05-01 至 2027-02-28
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:Action PotentialsAffectBehaviorBrain StemComplementComplexContact LensesCoupledDatabasesDevelopmentDiffuseDistalEffectivenessElectrodesEmergency SituationEvaluationExhibitsFoundationsGTP-Binding ProteinsGenerationsGoalsHumanJointsLaboratoriesLegMeasuresMethodsModelingMotorMotor NeuronsMotor outputMovementMuscleMuscle FibersMuscle functionNeuronsNoiseOutputPatternPharmaceutical PreparationsPopulationPosturePrimatesPropertyReverse engineeringRodentRoleSpinal CordStructureSynapsesSystemTechniquesTestingTorqueUncertaintyarmbaseelectrical propertyexperimental studyinsightmotor controlmuscular structureneural circuitneuroregulationnovelrelating to nervous systemrobotic devicesupercomputer
项目摘要
PROJECT SUMMARY All motor commands flow through motoneurons in the spinal cord and brainstem. As
for inputs to neural circuits throughout the CNS, these commands comprise three main components: two types
of ionotropic input (excitation and inhibition) and a set of G-protein coupled inputs (neuromodulation). Lack of
understanding of how these components produce output constitutes a fundamental uncertainty at the
foundation of the neural control of movement. Fortunately, motor output in humans can be studied at the level
of single neurons. Motoneuron action potentials are 1-to-1 with those of their muscle fibers, forming motor
units whose action potentials can be recorded relatively easily in muscles. The potential for using these motor
unit firing patterns for understanding motor commands has long been appreciated. Our goal is to maximize
this potential by developing supercomputer-based techniques for reverse engineering motor unit firing patterns
to identify the amplitudes and patterns of the excitatory, inhibitory and neuromodulatory inputs underlying
motor commands in humans. Recent advances that allow simultaneous recording of many motor units have
allowed us to identify distinctive nonlinear behaviors in motor unit firing patterns. Our development of realistic
models of motoneurons show that these nonlinearities arise from complex interactions between input
components. We plan to use these models as the core of a reverse engineering (RE) approach that estimates
these three components from nonlinear human motor unit firing patterns. Our premise is that implementation
of our models on supercomputers at Argonne National Laboratories will allow systematic exploration of the
firing patterns generated by many thousands of input combinations. Those input organizations that accurately
recreate a measured set of firing patterns will then be considered to be part of the “solution space” for that
particular motor output. The key problem for this analysis is redundancy. If the same motor output can be
produced by many input combinations, then reverse engineering will reveal huge solution spaces that provide
little insight into motor commands. Overall motor outputs like force and EMG suffer from this problem. Our
concept, however, is that measuring motor output at the single neuron level, via motor unit recordings, allows
for effective reverse engineering. We have 3 aims: 1) to develop and evaluate supercomputer-based reverse
engineering techniques for analysis of motor unit firing patterns. 2) to deploy RE to investigate the
mechanisms of muscle-specific differences in populations of motor unit firing patterns. And 3) to deploy RE to
investigate whether inhibitory-neuromodulation interactions that are specific for each muscle are relatively
fixed, or instead are continuously adapted for different motor tasks. The development of supercomputer-based
analysis techniques provides an ideal complement to emergence of techniques to measure firing patterns of
large populations of motor units. Our novel reverse engineering method have the potential to transform our
understanding of the synaptic organization of motor commands in humans.
项目摘要 所有运动命令都流经脊髓和脑干中的运动神经元。
对于整个 CNS 神经回路的输入,这些命令包含三个主要组成部分:两种类型
离子型输入(激发和抑制)和一组 G 蛋白耦合输入(神经调节)。
了解这些组件如何产生输出构成了基本的不确定性
幸运的是,人类的运动输出可以在水平上进行研究。
单个神经元的动作电位与其肌纤维的动作电位成一比一,形成运动。
可以相对容易地在肌肉中记录其动作电位的单位 使用这些电机的潜力。
理解运动命令的单元发射模式长期以来一直受到赞赏,我们的目标是最大化。
这种潜力是通过基于超级计算机的技术对运动单元点火模式进行逆向工程而开发的
识别潜在的兴奋性、抑制性和神经调节输入的幅度和模式
人类的运动命令的最新进展允许同时记录许多运动单位。
使我们能够识别运动单元放电模式中独特的非线性行为。
运动神经元模型表明,这些非线性源于输入之间的复杂相互作用
我们计划使用这些模型作为逆向工程(RE)方法的核心来进行估计。
这三个组成部分来自非线性的人体运动单元放电模式,我们的前提是实现。
我们在阿贡国家实验室的超级计算机上的模型将允许系统地探索
由数千个输入组合生成的触发模式能够准确地进行输入。
重新创建一组测量的发射模式将被视为该“解决方案空间”的一部分
该分析的关键问题是是否可以使用相同的电机输出。
由许多输入组合产生,然后逆向工程将揭示巨大的解决方案空间,提供
我们对运动指令(如力和肌电图)的了解很少。
然而,概念是通过运动单元记录测量单个神经元水平的运动输出,允许
为了实现有效的逆向工程,我们有 3 个目标:1)开发和评估基于超级计算机的逆向工程。
分析运动单位放电模式的工程技术 2) 部署 RE 来研究
运动单位放电模式群体中肌肉特异性差异的机制以及 3) 将 RE 部署到。
研究每块肌肉特有的抑制性神经调节相互作用是否相对
固定的,或者不断适应不同的运动任务 基于超级计算机的发展。
分析技术为测量发射模式的技术的出现提供了理想的补充
我们新颖的逆向工程方法有可能改变我们的运动单位。
了解人类运动命令的突触组织。
项目成果
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