CRCNS: Circuit dynamics in zebrafish larvae: mechanisms, modulation, and mathematical modeling of network topology and attractor dynamics
CRCNS:斑马鱼幼虫的电路动力学:网络拓扑和吸引子动力学的机制、调制和数学建模
基本信息
- 批准号:10266158
- 负责人:
- 金额:$ 19.63万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-09-23 至 2024-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalAnimalsArchitectureBrainBrain regionCalciumCuesCustomData AnalysesData SetDiseaseEnvironmentEpilepsyExhibitsFunctional disorderGenerationsImageInvestigationLarvaLearningLightMathematicsMental disordersMethodsMicroscopyModelingMonitorMotorNervous system structureNeuronsNeurosciencesOpticsOrganismPatternPeriodicityPhysiologicalPopulationProcessPropertyRecurrenceResearchResearch ProposalsResolutionRoleSchizophreniaSensoryStructureSynapsesTailTectum MesencephaliTestingTransgenic OrganismsZebrafishcalcium indicatorcell typecognitive functiondynamic systemexperienceexperimental studyinsightinterdisciplinary approachmathematical methodsmathematical modelmotor behaviormultidisciplinarynetwork modelsneural circuitneural modelneuronal circuitrynoveloptogeneticsskillsspatiotemporalsuperior colliculus Corpora quadrigeminatemporal measurementtwo-photon
项目摘要
CRCNS US-French Research Proposal: Neuronal circuit dynamics in zebrafish larvae: mechanisms, modulation, and
mathematical modeling of network topology and attractor dynamics.
Attractor neuronal circuits are recurrently connected networks whose temporal dynamics converge and settle to stable
patterns. Theoretical attractor models have been used to explain a variety of cognitive functions and motor behaviour.
Despite their importance for brain computations, a detailed description of physiological properties of these neuronal
circuits is still missing; and the mechanisms underlying the emergence of attractor-like dynamics remain elusive.
The Sumbre lab has recently shown that the optic tectum of the zebrafish larva is functionally organized according to
neuronal assemblies (groups of highly correlated neurons). These assemblies exhibit all-or- none synergistic
facilitation and competitive reciprocal inhibition generating single “winners.” Both are features of attractor dynamics.
In this project, the PIs will combine the experimental expertise of the Sumbre lab to monitor and analyze neuronal
circuit dynamics in the zebrafish larva, and the mathematical skills of the Curto lab, applied to the theoretical
investigation of attractor dynamics. More specifically, the Sumbre lab will use light-sheet microscopy and optogenetics
(jGCaMP7f and reaChR) to monitor and manipulate the population activity of neuronal attractor circuits in the
zebrafish larva. This approach will allow the detailed description of the physiological properties of neuronal attractor
circuits (e.g. cell-type description, functional properties of all single neurons, etc.), and to investigate the modulation of
the attractor dynamics by sensory experience and the internal state of the brain.
The Curto lab will use topological data analysis (TDA) methods for the analysis of the acquired datasets to investigate
higher-order correlations and the structure of functional connectivity within neuronal attractor circuits. In addition,
mathematical modeling will reveal the neuronal mechanisms underlying the circuit’s attractor dynamics and the
modulation of these dynamics. Principles learned from these theoretical approaches will then be tested experimentally
in the Sumbre lab, using optogenetics. This multidisciplinary and complementary project will bring novel insights on
the principles dictating the generation of neuronal attractor circuits and illuminate their functional role in the brain
computations.
CRCNS 美法研究提案:斑马鱼幼虫的神经元回路动力学:机制、调节和
网络拓扑和吸引子动力学的数学建模。
吸引子神经回路是循环连接的网络,其时间动态收敛并趋于稳定
理论吸引子模型已被用来解释各种认知功能和运动行为。
尽管它们对大脑计算很重要,但对这些神经生理特性的详细描述
电路仍然缺失;并且类吸引子动力学出现的机制仍然难以捉摸。
Sumbre 实验室最近表明,斑马鱼幼虫的视顶盖的功能组织是根据
神经元集合(高度相关的神经元组)。这些集合表现出全或无协同作用。
促进和竞争性相互抑制产生单一“赢家”。两者都是吸引子动力学的特征。
在这个项目中,PI 将结合 Sumbre 实验室的实验专业知识来监测和分析神经网络
斑马鱼幼虫的电路动力学,以及 Curto 实验室的数学技能,应用于理论
更具体地说,Sumbre 实验室将使用光片显微镜和光遗传学进行研究。
(jGCaMP7f 和 reaChR)来监测和操纵神经吸引子回路的群体活动
这种方法将允许详细描述神经元吸引子的生理特性。
电路(例如细胞类型描述、所有单个神经元的功能特性等),并研究
感官体验和大脑内部状态的吸引子动力学。
Curto 实验室将使用拓扑数据分析 (TDA) 方法对获取的数据集进行分析以进行调查
此外,神经吸引子回路内的高阶相关性和功能连接结构。
数学建模将揭示电路吸引子动力学和
然后将从这些理论方法中学到的原理进行实验测试。
在 Sumbre 实验室,利用光遗传学,这个多学科和互补的项目将带来新的见解。
决定神经吸引子电路生成的原理并阐明它们在大脑中的功能作用
计算。
项目成果
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