Identify the schemata by which subcortical signals influence frontal cortical dynamics and cognitive behaviors

识别皮层下信号影响额叶皮层动态和认知行为的图式

基本信息

  • 批准号:
    10294404
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 52.83万
  • 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:
    2022-01-15 至 2026-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Summary, Project 4 (Identify the schemata by which subcortical signals influence frontal cortical dynamics and cognitive behaviors) This research project is focused on dynamic interactions between subcortical areas and frontal cortex via thalamus during flexible behavior. Frontal cortex, including motor cortex and medical prefrontal cortex, displays complex patterns of neural activity that correlate with behavior. These patterns can be decomposed into activity modes (i.e. subspaces in activity space), such as the persistent activity correlated with short-term memory, and the rapidly modulated activity associated with voluntary movements. Complex behaviors correspond to sequences of cortical activity modes. Frontal cortex is tightly coupled with higher-order (non-sensory) thalamus to mediate behavior. Thalamus in turn receives driving input from the basal ganglia the and other subcortical structures. We test the hypothesis that different subcortex inputs to specific thalamic regions control different aspects of cortical activity, including setting the time periods when short-term memories are maintained, the transitions from motor planning to movement execution (Aim 1), and updating and maintaining the values of specific actions during foraging. Our modeling framework (Overall, Project 5) links the dynamical systems perspective of neural computation with actual multi-regional neural circuits and makes predictions that can be tested with neurophysiology. We employ two behavioral tasks in mice that engage well-defined but distinct cortical activity modes. In a memory-guided response task, neurons in the anterior lateral motor cortex (ALM) show preparatory activity, which predicts specific future movements. Just before the onset of movement, preparatory activity collapses in favor of activity modes that drive movement. In a dynamic foraging task, neurons in the medial prefrontal cortex (mPFC) show slowly varying activity patterns that correlate with the value of one action compared to another. This activity is updated based on new information, such as the size of a reward. Projects 1 - 3 provide information about the circuits linking subcortical areas, thalamus, and ALM / mPFC. Building on these circuit mapping experiments we will perform simultaneous recordings from connected subcortex → thalamus → cortex circuits using new multi-shank Neuropixels probes with 5120 recording sites (Project 3). We will combine these recordings with optogenetic manipulations of subcortex and modern multi-variate analysis methods (Data Science Core) to track how subcortical signals propagate through the thalamus into cortex. In the memory-guided response task we will probe the role of the substantia nigra reticulata, acting via the ventromedial nucleus, on maintenance of movement planning, and the impact of midbrain movement centers (e.g. pedunculopontine nucleus), acting via the posterior mediodorsal nucleus, on switching from movement planning to movement initiation (Aim 1). In the foraging task, we will probe how error prediction signals, for example from ventral pallidum (PALv), update memory-related activity in the mPFC via anterior mediodorsal thalamus. These measurements will test key model predictions and in turn inform multi-regional circuit models of cognitive behavior.
摘要,项目4(确定皮层信号影响的架构 额叶皮质动力和认知行为) 该研究项目的重点是皮层下区域和额叶皮质之间的动态相互作用 在柔性行为期间丘脑。额叶皮层,包括运动皮层和医疗前额叶皮层,显示 与行为相关的神经活动的复杂模式。这些模式可以分解为活动 模式(即活动空间中的子空间),例如持续活动与短期记忆相关,并且 与自愿运动有关的快速调制活性。复杂的行为对应 皮质活性模式的序列。额叶皮质与高阶(非感官)丘脑紧密结合 调解行为。丘脑依次从基底神经节和其他下皮质上收到驾驶输入 结构。我们检验了以下假设:特定丘脑区域的不同亚皮层输入控制不同 皮质活动的各个方面,包括设定保持短期记忆的时间段, 从运动规划到运动执行(AIM 1)的过渡,并更新和维护的值 觅食期间的具体操作。我们的建模框架(总体,项目5)链接动态系统 具有实际多区域神经回路的神经功能的观点,并做出可以是的预测 用神经生理学测试。 我们在小鼠中采用了两种行为任务,它们具有明确但独特的皮质活动模式。在 记忆引导的响应任务,前侧运动皮层(ALM)中的神经元显示准备活动, 哪些预测未来的运动。就在运动开始之前,制备活动崩溃了 驱动运动的活动模式的偏爱。在动态觅食任务中,介质前额叶皮层中的神经元 (MPFC)显示出与与另一种动作相比的一个动作值相关的缓慢变化的活性模式。 此活动根据新信息(例如奖励的大小)进行更新。项目1-3提供信息 关于连接皮层下区域,丘脑和ALM / MPFC的电路。在这些电路映射上建立 实验我们将执行连接的亚皮层的同时记录→Thalamus→Cortex电路 使用5120个录音网站(项目3),使用新的多股神经质子问题。我们将结合这些 用子皮层和现代多变量分析方法的光遗传操作的记录(数据 科学核心)以跟踪皮层信号如何通过丘脑传播成皮质。在记忆引导中 响应任务,我们将探究通过腹膜核的作用,尼格拉nigra reticulata的作用, 维持运动计划和中脑运动中心的影响(例如Pedunculopontin 核),通过后培养基核起作用,从运动计划转变为运动 启动(目标1)。在觅食任务中,我们将探测错误预测信号,例如从腹侧 Pallidum(PALV),通过前培养基丘脑更新MPFC中与内存相关的活动。这些 测量将测试关键模型预测,进而为认知的多区域电路模型提供信息 行为。

项目成果

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