Closed-Loop Systems for Large Scale Spatiotemporal Imaging and Actuation of Neural Activity in Freely Behaving Animals

用于自由行为动物的大规模时空成像和神经活动激活的闭环系统

基本信息

  • 批准号:
    10675440
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 66.52万
  • 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:
    2022-08-15 至 2026-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

ABSTRACT A major challenge in neuroscience is to uncover how defined neural circuits in the brain encode, store, modify, and retrieve information. Adding to this challenge is the fact that neural function does not operate in isolation but rather within living, behaving animals. Great technological advances over the past decades have allowed researchers to begin to optically measure and modulate neural activity but these approaches are often limited to head-fix animals when studying neural function at spatial and temporal scales relevant to internal neural circuit dynamics. While a great deal of scientific and technological progress has been made, there is still much to learn concerning complex neural function, especially within the context of natural behavior. This knowledge gap, at least in part, is due to a lack of accessible tools for simultaneously modulating and observing large-scale neural circuits with single-cell precision in freely behaving animals. This project will fill this gap by developing open-source, head-mounted miniature microscopes with spatiotemporal illumination capabilities for both patterned photo-stimulation and improved neural imaging in freely behaving animals. We will develop a modular control and acquisition platform for native integration of neural and behavioral equipment to facilitate neural-behavioral experiments. Finally, this platform will be driven by a novel, automated, closed-loop processing framework for detecting, decoding, and manipulating neural and behavioral dynamics in real-time. The goal of this platform is to 1) significantly extend and improve upon current freely behaving neural imaging and modulation techniques and 2) provide an integrated framework for observing, controlling, and manipulating neural dynamics within the context of behavior. This approach has the potential to simultaneously “read” from and “write” into, potentially, any area of the brain, enabling fine-grained investigation of the causal role between neural activity and behavior. Our development will be guided by concurrent benchtop and in vivo testing at every stage of the development and optimization process. To maximize the impact of our efforts, all tools and technologies developed for this proposal will be open-source and shared widely with the scientific community through online resources and technical workshops.
抽象的 神经科学的一个主要挑战是揭示大脑中定义的神经回路如何编码、存储、修改和检索信息,这一挑战还在于神经功能不是孤立运作的,而是在活生生的、有行为能力的动物体内运作。过去几十年的进步使研究人员能够开始光学测量和调节神经活动,但在研究与内部神经回路动态相关的空间和时间尺度的神经功能时,这些方法通常仅限于头部固定动物。技术已经取得进步,但仍有待提高关于复杂的神经功能,特别是在自然行为的背景下,有很多东西需要学习,这种知识差距至少部分是由于缺乏可自由地以单细胞精度同时调节和观察大规模神经回路的工具。该项目将通过开发开源头戴式微型显微镜来填补这一空白,该显微镜具有时空照明功能,可用于自由行为动物的图案光刺激和改进的神经成像。神经和神经的整合最后,该平台将由一种新颖的、自动化的闭环处理框架驱动,用于实时检测、解码和操纵神经和行为动力学。 1) 显着扩展并改进当前自由行为的神经成像和调制技术,2) 提供一个用于在行为背景下观察、控制和操纵神经动力学的集成框架。这种方法有可能同时“读取”和“”。 “写”可能深入大脑的任何区域,从而能够对神经活动和行为之间的因果关系进行细粒度的研究。我们的开发将在开发和优化过程的每个阶段以并行的台式和体内测试为指导。为了最大限度地发挥我们努力的影响,为此提案开发的所有工具和技术都将开源,并通过在线资源和技术研讨会与科学界广泛共享。

项目成果

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