Inferring multi-scale dynamics underlying behavior in aging C. elegans

推断衰老线虫行为背后的多尺度动力学

基本信息

  • 批准号:
    10638631
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 57万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-04-01 至 2028-01-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary Physiological processes such as aging must arise from activities and events spanning multiple time scales. Although important, the dynamics of these processes are difficult to measure and study. In multicellular model organisms for aging, the freely living nematode C. elegans is among the best studied, and yet, most of the aging studies are limited to simple outcomes such as lifespan and completely ignore the process through which aging occurs. This limitation is in part due to the lack of economical and scalable technologies to acquire detailed data during the aging process (recording behavior and neural dynamics on individual basis using conventional approaches are very expensive); further, there has not been a well-established theoretical (and computational) approach to model the aging behavior and make connections between short- and long-term dynamics. The lack of these tools result in the very limited description and understanding of the mechanisms of healthspan, even in excellent genetic model systems as C. elegans. The goal of this application is to define behavioral states and dynamics in the aging process and examine the neural origins of the behavioral dynamics. First, high-throughput experimental systems and robust computational pipelines will be engineered. The tools will then be used to characterize short- and long-term behavior dynamics in aging, especially in response to food availability that results in modulations of longevity and health. Models will be built to connect the neural dynamics to behavioral dynamics, and the models will address whether it is modulations in neural dynamics that lead to changes in behavioral states and different long-term physiological outcomes. The proposed project is innovative, because it is the first time multi-scale behavioral dynamics is recorded in large number of individuals and fully characterized using stochastic dynamical system models in aging process; it is also the first time that behavioral dynamical models are connected to and explained by neural dynamical models. The proposed work is significant, because of both the tools and insights it generates. Scientifically, the ability to define internal states and understand the aging trajectory, especially with insights to the neural origin of the observed dynamics under a variety of longevity-inducing conditions, will point to potential strategies to influence healthy aging. Technologically, we envision that both the high-throughput behavioral recording platform and the neural imaging pipeline will be useful beyond C. elegans, and that the theoretical and computational pipelines can potentially be generalized to many other experimental systems, including mice, non-human primates, and humans. The rich data set for aging behavior will also benefit other aging researchers.
项目摘要 诸如衰老之类的生理过程必须来自多个时间的活动和事件 秤。尽管很重要,但这些过程的动力很难衡量和研究。在多细胞中 用于衰老的模型生物,自由生活的线虫C.秀丽隐杆线虫是研究最佳的生物,但大多数 衰老研究仅限于简单的结果,例如寿命,并且通过 发生衰老。这种限制部分是由于缺乏获得的经济和可扩展技术来获取 衰老过程中的详细数据(使用单独记录行为和神经动态使用 常规方法非常昂贵);此外,还没有一个完善的理论(并且 计算)方法,以建模衰老行为并在短期和长期之间建立联系 动力学。这些工具的缺乏导致对机制的描述和理解非常有限 HealthSpan,即使在优秀的遗传模型系统中,也像秀丽隐杆线虫一样。此应用的目的是定义 行为状态和衰老过程中的动态并检查行为的神经起源 动力学。首先,将设计高通量实验系统和强大的计算管道。 然后,这些工具将用于表征衰老中的短期和长期行为动态,尤其是在 对粮食供应的反应,从而导致寿命和健康的调节。模型将建立以连接 行为动力学的神经动力学,模型将解决它是否是神经中的调制 导致行为状态变化和不同长期生理结果的动力学。这 拟议的项目具有创新性,因为这是第一次将多尺度行为动态记录在大型中 个体数量,并在老化过程中使用随机动力学系统模型充分表征;这是 同样,行为动力学模型首次通过神经动力学模型连接并解释。 由于它产生的工具和见解,因此提出的工作很重要。从科学上讲,能力 定义内部状态并了解衰老轨迹,尤其是对神经起源的见解 在各种寿命诱导条件下观察到的动态,将指出潜在的策略来影响 健康衰老。从技术上讲,我们设想高通量行为记录平台和 神经成像管道将在秀丽隐杆线虫之外有用,并且理论和计算管道 可能会推广到许多其他实验系统,包括小鼠,非人类灵长类动物和 人类。丰富的衰老行为数据集还将使其他老龄化研究人员受益。

项目成果

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