CRII: RI: Navigational Circuitry of Brain: Novel Neural Codes with Diversity for Robust and Adaptive Location Processing

CRII:RI:大脑导航电路:具有多样性的新颖神经代码,用于鲁棒和自适应位置处理

基本信息

  • 批准号:
    1464349
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 11.52万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-04-01 至 2018-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The main objectives of this project are to develop a novel coding framework for the navigational circuitry of the brain, and in the context of this model, to investigate how neural diversity and neurally plausible information processing mechanisms contribute to a robust navigation system. Robust localization techniques based on neural coding principles may have applications in robotics. In addition, the framework developed here will lead to a better understanding of brain's navigational circuitry and associated brain areas, which are implicated in Alzheimer's disease and other brain disorders.The brain's navigational circuitry includes cells whose activities are modulated depending on where an animal is in its environment. Place cells in the hippocampus are typically active over a certain region within an environment, but remain mostly silent otherwise. Grid cells in the entorhinal cortex, on the other hand, respond at multiple regions, where the activity of each cell follows a striking periodic pattern, forming a hexagonal tiling of the space. Both place and grid populations exhibit diversity (e.g., firing fields of neurons typically increase along the dorsoventral axis) and adaptivity (e.g., cells change their activity levels in response to changes in environment). One theory of how these cells are related is that grid cells form place cells, which in turn are responsible for performing navigational computations, but this view contradicts recent neurophysiological data. The central hypothesis of the investigator, in contrast, is that the brain has a neural code consisting of both place cells and grid cells, and, when processed with neurally plausible, low-complexity algorithms, codewords of this code form a robust and adaptive navigational processing mechanism. This project focuses on coding models consisting of place cells that provide side information in decoding of the grid cell activity, and separate read-out populations that perform computations with place and grid cells iteratively. Utilizing these models, the investigator proposes to study the role of neural diversity in achieving robustness, to analyze the modular processing capacity of the code, to understand neural adaptivity through obtaining broader estimate by lowering the code rate, and to compare these findings with experimental observations.
这个项目的主要目标是为大脑的导航电路开发一个新的编码框架,并在这个模型的背景下,研究神经多样性和神经可信的信息处理机制如何有助于建立一个健壮的导航系统。基于神经编码原理的稳健定位技术可能会在机器人中得到应用。此外,这里开发的框架将有助于更好地了解大脑的导航电路和相关的大脑区域,这些区域与阿尔茨海默病和其他大脑疾病有关。大脑的导航电路包括细胞,其活动根据动物在环境中的位置而调节。海马体中的定位细胞通常在环境中的某个区域活跃,但在其他情况下大多保持沉默。另一方面,内嗅皮层中的网格细胞在多个区域做出反应,每个细胞的活动遵循显著的周期模式,形成空间的六角形瓷砖。地点群体和网格群体都表现出多样性(例如,神经元的放电场通常沿着背腹轴增加)和适应性(例如,细胞随着环境的变化而改变其活动水平)。关于这些细胞如何相关的一种理论是,网格细胞形成位置细胞,位置细胞负责执行导航计算,但这一观点与最近的神经生理学数据相矛盾。相反,研究人员的中心假设是,大脑有一个由位置细胞和网格细胞组成的神经编码,当使用神经上看似合理的低复杂性算法处理时,这种编码的码字形成了一个健壮和自适应的导航处理机制。这个项目专注于编码模型,该模型包括在解码网格单元活动时提供辅助信息的位置单元,以及使用位置单元和网格单元迭代执行计算的独立读出种群。利用这些模型,研究者建议研究神经元多样性在实现稳健性方面的作用,分析代码的模块处理能力,通过降低码率获得更广泛的估计来了解神经适应性,并将这些发现与实验观察进行比较。

项目成果

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