Spike timing codes for motor control
用于电机控制的尖峰时序代码
基本信息
- 批准号:10112963
- 负责人:
- 金额:$ 33.77万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2017
- 资助国家:美国
- 起止时间:2017-03-01 至 2023-02-28
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AcousticsAffectAgeAlgorithmsBehaviorBehavior ControlBehavioralBiomechanicsBrainCodeComplexComputational TechniqueComputer AnalysisDevelopmentDiseaseElectrodesFutureGoalsIn VitroIndividualInjuryMeasurableMethodsMotorMotor CortexMotor NeuronsMotor outputMuscleMuscle FibersNervous System TraumaNervous system structureNeuronsNeurosciencesOrganOutcome StudyOutputPatientsPatternPhysiologicalPreparationProductionPropertyProsthesisResearchSensorySignal TransductionSongbirdsSystemTechniquesTestingTrainingVariantWorkbasebehavior in vitrobehavior influenceexperimental studyimprovedin vivoinnovationkinematicsmicrostimulationmillisecondmind controlmotor controlnervous system disorderneural patterningneural prosthesisneuromuscularneurophysiologynovelresponsesensory feedbacksoundvocal controlvocalization
项目摘要
A central goal of neuroscience is to understand how patterns of neural activity in the brain control behavior. In
principle, neurons can encode information via their firing rates, the precise timing of their spikes, or both.
However, nearly all prior studies of motor systems have relied exclusively on spike rates to investigate how the
brain controls behavior. We recently demonstrated that in songbird vocal motor cortex, spike timing – down to
millisecond-scale differences in spike patterning – is far more informative about upcoming behavior than is spike
rate. Although this suggests that variations in cortical spike timing could modulate behavior, it is unknown
whether precise cortical spike timing drives a similarly precise code downstream in motor neurons and muscle
tissue, or indeed whether variations in motor neuron spike timing are capable of modifying behavior. The
proposed experiments will combine innovative behavioral, physiological, and computational techniques
to understand how the nervous system uses precisely timed patterns of electrical activity to regulate the
acoustics of vocal output in songbirds. Our long-term goal is to understand how spiking activity in the brain
controls behavior. The objective of this proposal is to determine which properties of motor spiking drive variations
in behavior in control of vocalizations in songbirds. Our central hypothesis is that the brain controls behavior by
precisely (down to a precision of a few milliseconds) modulating spike timing. This hypothesis will be tested in
three specific Aims. In Aim 1, we will use a newly developed electrode system to study spiking activity from
muscle tissue (i.e., the spikes of individual motor units, each of which consists muscle fibers innervated by a
single motor neuron) in vocalizing songbirds to determine the timescale of neuromuscular control. In Aim 2, we
will use innovative in vivo, in vitro, and ex vivo techniques to determine whether spike-timing differences
observed in muscle fibers affect motor output. In Aim 3, we will examine how precise firing patterns are
coordinated across multiple muscles. All three Aims will tightly integrate experimental studies and computational
analyses to identify specific spike timing patterns that most strongly influence behavior and to generate and test
hypotheses about the biomechanical bases of precise motor control. The rationale for these studies is that they
will upend long-held notions that cortical motor control is based solely on spike rate codes and establish a broadly
applicable framework for analyzing timing-based spike codes both within and beyond the motor system.
Furthermore, our findings and techniques may significantly contribute to the improvement of neural prosthetic
devices by showing how decoding algorithms might make use of spike timing in addition to the rate information
commonly used in current approaches.
神经科学的一个核心目标是了解脑控制行为中神经科学模式如何。在
原理,神经元可以通过发射速率,尖峰的确切时机或两者兼而有之编码信息。
但是,几乎所有先前对运动系统的研究都完全依赖于尖峰速率,以研究如何研究
大脑控制行为。我们最近证明了在鸣鸟声乐皮层中,尖峰时机 - 直到
尖峰图案的毫秒级差异 - 对即将到来的行为的信息比Spike更具信息
速率。尽管这表明皮质尖峰时序的变化可能会调节行为,但未知
精确的皮质尖峰计时是否在运动神经元和肌肉下游的同样精确的代码驱动
组织,或实际上是运动神经峰的变化是否能够改变行为。
拟议的实验将结合创新的行为,生理和计算技术
了解神经系统如何使用精确的电活动定时模式来调节
鸣禽声音输出的声学。我们的长期目标是了解大脑中的峰值活动
控制行为。该提案的目的是确定运动尖峰驱动变化的哪些特性
在控制鸣禽声音的行为中。我们的中心假设是大脑通过
精确(降至几毫秒的精度)调节尖峰时序。该假设将在
三个具体目标。在AIM 1中,我们将使用新开发的电极系统来研究
肌肉组织(即单个运动单位的尖峰,每种电动机的尖峰由由A支配的肌肉纤维组成
单运动神经元)在发声的鸣禽中确定神经肌肉对照的时间尺度。在AIM 2中,我们
将使用创新的体内,体外和离体技术来确定是否差异差异
在肌肉纤维中观察到的会影响运动输出。在AIM 3中,我们将研究射击模式的精确射击方式
跨多个肌肉协调。这三个目标将紧密整合实验研究和计算
分析以确定最大程度地影响行为并产生和测试的特定尖峰计时模式
关于精确运动控制的生物力学基础的假设。这些研究的理由是他们
将颠覆长期以来的指标,即皮层运动控制是基于尖峰速率代码的,并建立了广泛的
适用的框架,用于分析电机系统内外的基于计时的尖峰代码。
此外,我们的发现和技术可能会大大促进神经假体的改善
通过显示解码算法如何利用峰值时间除了速率信息之外如何利用尖峰的设备
通常用于当前方法。
项目成果
期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Shared mechanisms of auditory and non-auditory vocal learning in the songbird brain.
- DOI:10.7554/elife.75691
- 发表时间:2022-09-15
- 期刊:
- 影响因子:7.7
- 作者:McGregor JN;Grassler AL;Jaffe PI;Jacob AL;Brainard MS;Sober SJ
- 通讯作者:Sober SJ
Highlights from the 29th Annual Meeting of the Society for the Neural Control of Movement.
运动神经控制学会第 29 届年会亮点。
- DOI:10.1152/jn.00484.2019
- 发表时间:2019
- 期刊:
- 影响因子:2.5
- 作者:Mathis,Alexander;Pack,AndreaR;Maeda,RodrigoS;McDougle,SamuelD
- 通讯作者:McDougle,SamuelD
A flexible carbon nanotube electrode array for acute in vivo EMG recordings.
用于急性体内肌电图记录的柔性碳纳米管电极阵列。
- DOI:10.1152/jn.00262.2022
- 发表时间:2023
- 期刊:
- 影响因子:2.5
- 作者:Pack,AndreaR;Yan,JiaxiS;Pasquali,Mateo;Sober,SamuelJ;Elemans,CoenPH
- 通讯作者:Elemans,CoenPH
One-to-one innervation of vocal muscles allows precise control of birdsong.
- DOI:10.1016/j.cub.2021.05.008
- 发表时间:2021-07-26
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Adam I;Maxwell A;Rößler H;Hansen EB;Vellema M;Brewer J;Elemans CPH
- 通讯作者:Elemans CPH
Randomly connected networks generate emergent selectivity and predict decoding properties of large populations of neurons.
随机连接的网络产生紧急选择性并预测大量神经元的解码特性。
- DOI:10.1371/journal.pcbi.1007875
- 发表时间:2020
- 期刊:
- 影响因子:4.3
- 作者:Sederberg,Audrey;Nemenman,Ilya
- 通讯作者:Nemenman,Ilya
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