Thalamocortical state control of tactile sensing: Mechanisms, Models, and Behavior

触觉感知的丘脑皮质状态控制:机制、模型和行为

基本信息

  • 批准号:
    10322432
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 39.45万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Thalamocortical state control of tactile sensing: Mechanisms, Models, and Behavior Despite the fact that the sensory thalamus plays a major role in shaping sensory representations in cortex, and thus shaping our percepts, most of what we know has been determined through electrophysiological investigation of the thalamus in-vitro or in the anesthetized brain. Properties of thalamic activity such as mean firing rates, timing and synchrony, and tonic/burst firing directly determine how sensory inputs are represented in the spatiotemporal activation of cortex. Modulations in thalamic “state” through changes in baseline levels of depolarization strongly influence the gating properties of the dynamic relay of sensory signals to cortex during normal behavior. Using the vibrissa pathway of the awake mouse, our team is uniquely positioned to precisely quantify and control thalamic state, and measure the downstream impact on spatiotemporal cortical representations, using a range of multi-scale electrophysiological and optical measurements, causal manipulations, modeling, and sensory behavioral tasks. We will first Determine Thalamic State Control of Sensory Information Processing in the awake mouse (Aim 1). A range of separate experiments will utilize single unit and LFP recording across thalamus and S1 and widefield genetically expressed voltage sensor imaging in S1 to fully capture and model the range of modulations in thalamic firing, synchronization, and tonic/burst firing in the awake brain. We will then conduct experiments that parallel Aim 1 in which we optogenetically manipulate thalamic state, to determine the causal role of thalamic firing modes on spatiotemporal representations of sensory inputs in cortex (Aim 2). Finally, we will Determine Thalamic State Control of Sensory Percepts in behavior, in a well-defined whisker detection and spatial (two-whisker) discrimination tasks (Aim 3), employing the same electrophysiology/imaging and optogenetic manipulation approaches across thalamus and cortex as in Aims 1 and 2. Significance: The thalamocortical circuit is continuously controlled by modulatory inputs that fundamentally shape information processing relevant for perception and behavior. However, the precise link between thalamic state and the resultant percept remains a major open question in neuroscience. We will determine how cortical representations changes through modulation in thalamic input and the consequences of this on perception. Broad Impacts: Dysfunction of brain state has been implicated in an incredibly wide range of neurological disorders ranging from dysfunction of arousal in narcolepsy to dysfunction of neuromodulators in mood disorders such as depression. Furthermore, recent genome wide association studies have implicated voltage-gated calcium channels found in brain structures including thalamus and cortex as risk loci for both schizophrenia and bipolar disorder. Finally, we also assert that understanding of the interaction between brain state and sensory representations is requisite for delivery of surrogate inputs in prostheses.
触觉传感的丘脑状态控制:机制,模型和行为 尽管感觉丘脑在塑造皮质中的感觉表示方面起着重要作用,并且 从而塑造了我们的感知,我们所知道的大多数是通过电生理确定的 研究丘脑无体外或麻醉大脑中的研究。丘脑活动的特性,例如平均 发射速率,时机和同步以及滋补/爆发射击直接决定了如何表示感觉输入 在皮层的空间临时激活中。通过基线水平的变化,丘脑“状态”调制 去极化强烈影响感官信号动态继电器与皮层的门控性能 正常行为。使用清醒鼠标的颤音途径,我们的团队唯一地定位为 量化和控制丘脑状态,并测量下游对空间颞皮质的影响 表示,使用一系列多尺度电生理学和光学测量,因果关系 操纵,建模和感觉行为任务。我们将首先确定丘脑状态的控制 在清醒鼠标中处理感官信息处理(AIM 1)。一系列单独的实验将使用 thalamus和s1的单个单元和LFP记录以及广大表达的电压传感器 S1中的成像以完全捕获和建模丘脑射击,同步和 在清醒大脑中发射补品/爆发。然后,我们将进行平行目标1的实验1 在光学上操纵丘脑状态,以确定丘脑发射模式在因果关系上的作用 皮质中感觉输入的时空表示(AIM 2)。最后,我们将确定丘脑状态 控制行为的感觉知觉,在定义明确的晶须检测和空间中(两轮) 歧视任务(AIM 3),采用相同的电生理/成像和光遗传操作 在目标1和2中,跨丘脑和皮质的方法。意义:丘脑皮层电路是 不断受到调节输入的控制,从根本上塑造了与 感知和行为。但是,丘脑状态与结果感知之间的确切联系仍然是 神经科学中的主要开放问题。我们将确定皮质表示如何通过 丘脑输入的调制及其对感知的后果。广泛的影响:大脑功能障碍 状态已被隐含在多种神经系统疾病中,从功能障碍 在抑郁症等情绪障碍中神经调节剂的功能障碍中唤醒性疾病。此外, 最近的基因组广泛关联研究已经实施了大脑中发现的电压门控钙通道 精神分裂症和双相情感障碍在内的结构包括丘脑和皮质作为风险基因座。最后,我们也是 断言对大脑状态与感觉表示之间的相互作用的理解是必需的 在假体中提供替代输入。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Rapid Cortical Adaptation and the Role of Thalamic Synchrony during Wakefulness.
快速皮质适应和清醒期间丘脑同步的作用。
Ipsilateral Stimulus Encoding in Primary and Secondary Somatosensory Cortex of Awake Mice.
清醒小鼠初级和次级体感皮层的同侧刺激编码。
Thalamic bursting and the role of timing and synchrony in thalamocortical signaling in the awake mouse.
  • DOI:
    10.1016/j.neuron.2022.06.008
  • 发表时间:
    2022-09-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.2
  • 作者:
    Borden, Peter Y.;Wright, Nathaniel C.;Morrissette, Arthur E.;Jaeger, Dieter;Haider, Bilal;Stanley, Garrett B.
  • 通讯作者:
    Stanley, Garrett B.
Stimulus Context and Reward Contingency Induce Behavioral Adaptation in a Rodent Tactile Detection Task
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  • DOI:
    10.1523/jneurosci.2032-18.2018
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Waiblinger;Christian;Caroline M;Michael F;Borden;Peter Y;Stanley;Garrett B.
  • 通讯作者:
    Garrett B.
State-aware detection of sensory stimuli in the cortex of the awake mouse.
对清醒小鼠皮质中的感觉刺激进行状态感知检测。
  • DOI:
    10.1371/journal.pcbi.1006716
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Sederberg,AudreyJ;Pala,Aurélie;Zheng,HeJV;He,BiyuJ;Stanley,GarrettB
  • 通讯作者:
    Stanley,GarrettB
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Au Naturel
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  • 发表时间:
    2008-05-22
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Garrett B. Stanley
  • 通讯作者:
    Garrett B. Stanley
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