Subcortical influence on the respiratory coordination of cortical neurodynamics related to cognition
皮质下对认知相关皮质神经动力学呼吸协调的影响
基本信息
- 批准号:10652899
- 负责人:
- 金额:$ 19.62万
- 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:2022-09-01 至 2024-02-29
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AnimalsAttentionBehaviorBrainBrain regionCell NucleusCharacteristicsCognitionCognitiveCognitive deficitsCommunicationConsciousCouplingCuesDataDetectionDevelopmentDiseaseExhalationExhibitsFailureFoodFrequenciesHippocampus (Brain)Impaired cognitionImpairmentIn VitroInhalationInvestigationLightLocationMeasuresMechanical StimulationMemoryMental disordersMusNasal EpitheliumNeuronsNoseParietalParietal LobeParvalbuminsPathologic ProcessesPerceptionPerformancePhasePhysiologyPlayProtocols documentationReaction TimeReportingResearchRespirationRewardsRodentRoleSensorySignal TransductionStimulusTask PerformancesTestingTortTrainingValidationVariantVisual CortexVisual attentionWorkattenuationbasal forebraincognitive enhancementcognitive functiondisabling symptomimprovedneurological pathologyneuropsychiatric disorderneuropsychiatrynovelnovel diagnosticsnovel therapeutic interventionolfactory bulboptogeneticsrelating to nervous systemrespiratoryresponsesustained attentiontranslational therapeuticsvigilanceway finding
项目摘要
Slow cortical oscillations, such as theta (5-9Hz) band activity, may provide coherence of activity over large
distances, providing a mechanism for interregional communication involved in neural processing. Faster
gamma band oscillations (GBO; 30-200 Hz) are thought to play a major role in higher-level cognitive
processing including attention. The role of theta/GBO coupling (TG coupling) in cognitive processing is well
established. However, more recent studies have observed that nasal respiration can also temporally
coordinate dynamic neural activity in the brain, reflected as respiratory-entrained oscillations (REO), which
exhibit high phase-amplitude coupling to GBO (RG coupling) during select behaviors. Presently it is unknown
if RG coupling has a role in cognition. Our overarching hypothesis posits that the strength of RG coupling in
the attention-related frontoparietal network (prelimbic and posterior parietal cortices) will correlate with
attention-related performance.
Aim 1: RG coupling in the frontoparietal attentional network correlates with performance in an
attention-demanding operant task. We will measure respiration and REO in local field potentials in select
brain regions to evaluate RG coupling during an operant signal detection task used to measure sustained
attention, the rodent psychomotor vigilance task (rPVT). In the rPVT, mice maintain attention to a stimulus
location, and respond to detection of a brief and unpredictable cue with a short-latency operant response to
receive food reward. Prior to correct trials, we predict that RG coupling will be strong in the frontoparietal
attention network, and that fast reaction times will correlate with robust RG coupling. In contrast, prior to
omission trials (attention failures), we predict that RG coupling will be diminished.
Aim 2: Attenuation/promotion of RG coupling by means of optogenetic manipulation of BF
parvalbumin neurons (BF-PV) will impair/improve attention-related performance in the rPVT. Our
preliminary findings show that closed-loop gamma frequency stimulation (CLS) of BF-PV in relation to
respiratory inhalation, but not exhalation, promotes RG coupling. Therefore, we will utilize this CLS paradigm to
determine how modulation of RG coupling impacts attention-related performance.
Across a range of select neuropsychiatric illnesses, the pathological processes behind cognitive deficits
involve abnormal neural temporal dynamics. Thus, these studies will help to inform the development of
translational therapies to restore/enhance cognitive function.
缓慢的皮质振荡,例如 theta (5-9Hz) 频带活动,可以提供大范围内活动的一致性。
距离,为神经处理中涉及的区域间交流提供了一种机制。快点
伽马带振荡(GBO;30-200 Hz)被认为在高级认知中发挥着重要作用
处理包括注意力。 theta/GBO 耦合(TG 耦合)在认知处理中的作用很好
已确立的。然而,最近的研究发现鼻呼吸也可以暂时
协调大脑中的动态神经活动,反映为呼吸引起的振荡(REO),
在选择行为期间表现出与 GBO(RG 耦合)的高相位幅度耦合。目前尚不清楚
RG 耦合是否在认知中发挥作用。我们的总体假设认为 RG 耦合的强度
与注意力相关的额顶叶网络(前边缘和后顶叶皮质)将与
与注意力相关的表现。
目标 1:额顶叶注意力网络中的 RG 耦合与行为表现相关
需要注意力的操作任务。我们将测量选定区域的局部场电位中的呼吸作用和 REO
在用于测量持续的操作信号检测任务期间评估 RG 耦合的大脑区域
注意力,啮齿动物精神运动警惕任务(rPVT)。在 rPVT 中,小鼠保持对刺激的注意力
位置,并通过短延迟操作响应来响应检测到的简短且不可预测的提示
获得食物奖励。在正确的试验之前,我们预测 RG 耦合在额顶叶会很强
注意力网络,快速反应时间将与强大的 RG 耦合相关。相比之下,之前
遗漏试验(注意失败),我们预测 RG 耦合将会减弱。
目标 2:通过 BF 的光遗传学操作来减弱/促进 RG 耦合
小清蛋白神经元 (BF-PV) 将损害/改善 rPVT 中与注意力相关的表现。我们的
初步结果表明,BF-PV 的闭环伽马频率刺激 (CLS) 与
呼吸促进 RG 耦合,但呼气不促进。因此,我们将利用这个 CLS 范式来
确定 RG 耦合的调制如何影响注意力相关的表现。
在一系列特定的神经精神疾病中,认知缺陷背后的病理过程
涉及异常的神经时间动力学。因此,这些研究将有助于为以下领域的发展提供信息:
恢复/增强认知功能的转化疗法。
项目成果
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