Rotation 1: Robust and efficient spiking computations

旋转 1:稳健且高效的尖峰计算

基本信息

  • 批准号:
    2888219
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2023 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

BBSRC strategic theme: Understanding the rules of lifeThe classical view of neuronal function relies on a delicate balance between excitation and inhibition, with the former driving spiking and the latter suppressing it. However, growing evidence suggests that this framework oversimplifies the complex dynamics governing spike generation. For instance, Haider et al. (2013) revealed that inhibition dominates cortical responses in awake animals, challenging the notion of a simple excitatory-inhibitory balance. Furthermore, Guo et al. (2015) demonstrated that inhibition can paradoxically trigger movement through rebound currents in the mouse motor cortex, echoing long-standing studies in the central pattern generator circuits underlying locomotion (Marder & Calabrese 1996) where inhibition explicitly causes spikes with a temporal delay.These observations raise a fundamental question: how do synaptic inputs influence spiking if not through a direct, instantaneous competition between excitation and inhibition? The answer may lie with voltage-gated (intrinsic) conductances, which propagate signals from dendrites to the axon yet comprise a huge diversity of different ion selectivities, channel kinetics, and reversal potentials. My preliminary modelling work leverages an intrinsic current to reproduce primate reaches, by casting motor preparation as the initialisation of a rebound current. Indeed by decoupling dendritic currents from spike-generation, all synaptic inputs must be preparatory in nature, configuring intrinsic conductances for future behaviour. Under this framework, preparation can be seen as a fundamental property of neuronal function across the brain rather than a niche artefact of the motor cortex. This aligns with recent findings that the barrel cortex exhibits signs of preparation before engagement in a complex sensory discrimination task (Constantinople and Bruno 2013; Park et al. 2022; Rodgers et al. 2021). These converging lines of evidence point towards an alternative hypothesis: excitation and inhibition cooperate to precisely control voltage-dependent intracellular processes, which in turn govern neuronal output. As a corollary, the brief timescale of the action potential may allow neurons to communicate digitally without disrupting these slower voltage-dependent processes. To explore these ideas, I propose a multi-faceted approach. I will develop and analyse a multi-compartment neuron model that decouples synaptic inputs from spike generation through a set of voltage-gated conductances. This will provide a platform for investigating the mechanisms underlying "intrinsic preparation" of neurons. I will train a network of these neurons to perform naturalistic sensory and motor tasks, such as sensory discrimination (Rodgers et al. 2021) and compound reaching (Zimnik et al. 2021). This will allow me to assess the generality of preparation as a fundamental aspect of neuronal computation. Using the trained network, I will generate testable predictions about voltage dynamics in dendrites and axons. These predictions will form the basis for collaborations with experimental groups employing voltage imaging techniques (Wong-Campos et al. 2023), facilitating a dialogue between theory and experiment.By reframing the excitatory-inhibitory interplay and investigating the role of "intrinsic preparation", this project aims to shed new light on the principles governing neuronal computation. The insights gained may have far-reaching implications for our understanding of how the brain processes information and generates complex behaviours, potentially inspiring novel approaches in artificial intelligence and neuromorphic computing.
BBSRC战略主题:理解生命的规则神经元功能的经典观点依赖于兴奋和抑制之间的微妙平衡,前者驱动尖峰,后者抑制尖峰。然而,越来越多的证据表明,这一框架过度简化了控制尖峰产生的复杂动力学。例如,Haider等人(2013)揭示了抑制在清醒动物的皮层反应中占主导地位,挑战了简单的兴奋-抑制平衡的概念。此外,Guo et al.(2015)证明,抑制可以通过小鼠运动皮层中的反弹电流矛盾地触发运动,这与长期以来对运动中枢模式发生器回路的研究相呼应(Marder & Calabrese 1996),其中抑制明确地引起具有时间延迟的尖峰。这些观察提出了一个基本问题:如果不是通过兴奋和抑制之间的直接、瞬时竞争,突触输入如何影响尖峰信号?答案可能在于电压门控(内在)电导,它将信号从树突传播到轴突,但包含大量不同的离子选择性、通道动力学和反转电位。我的初步建模工作利用一个内在的电流复制灵长类动物达到,铸造电机准备作为反弹电流的初始化。事实上,通过将树突电流与尖峰产生解耦,所有突触输入本质上都必须是准备性的,为未来的行为配置固有电导。在这个框架下,准备可以被看作是整个大脑的神经元功能的基本属性,而不是运动皮层的利基人工制品。这与最近的研究结果一致,即桶状皮层在参与复杂的感觉辨别任务之前表现出准备迹象(Constantinople and Bruno 2013; Park et al. 2022; Rodgers et al. 2021)。这些证据指向一个替代假设:兴奋和抑制合作,以精确地控制电压依赖性细胞内过程,这反过来又控制神经元的输出。作为一个必然的结果,动作电位的短暂时间尺度可能允许神经元进行数字通信,而不会破坏这些较慢的电压依赖性过程。为了探索这些想法,我提出了一个多方面的方法。我将开发和分析一个多隔室神经元模型,该模型通过一组电压门控电导将来自尖峰生成的突触输入叠加。这将为研究神经元的“内在准备”机制提供一个平台。我将训练这些神经元的网络来执行自然的感觉和运动任务,例如感觉辨别(Rodgers et al. 2021)和复合到达(Zimnik et al. 2021)。这将允许我评估作为神经元计算的基本方面的准备的一般性。使用经过训练的网络,我将生成关于树突和轴突中电压动态的可测试预测。这些预测将成为与采用电压成像技术的实验组合作的基础(Wong-Campos et al. 2023),促进理论与实验之间的对话。通过重新构建兴奋-抑制相互作用和调查“内在准备”的作用,该项目旨在揭示控制神经元计算的原理。所获得的见解可能对我们理解大脑如何处理信息和产生复杂行为产生深远的影响,可能会激发人工智能和神经形态计算的新方法。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

其他文献

吉治仁志 他: "トランスジェニックマウスによるTIMP-1の線維化促進機序"最新医学. 55. 1781-1787 (2000)
Hitoshi Yoshiji 等:“转基因小鼠中 TIMP-1 的促纤维化机制”现代医学 55. 1781-1787 (2000)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
LiDAR Implementations for Autonomous Vehicle Applications
  • DOI:
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
生命分子工学・海洋生命工学研究室
生物分子工程/海洋生物技术实验室
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
吉治仁志 他: "イラスト医学&サイエンスシリーズ血管の分子医学"羊土社(渋谷正史編). 125 (2000)
Hitoshi Yoshiji 等人:“血管医学与科学系列分子医学图解”Yodosha(涉谷正志编辑)125(2000)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Effect of manidipine hydrochloride,a calcium antagonist,on isoproterenol-induced left ventricular hypertrophy: "Yoshiyama,M.,Takeuchi,K.,Kim,S.,Hanatani,A.,Omura,T.,Toda,I.,Akioka,K.,Teragaki,M.,Iwao,H.and Yoshikawa,J." Jpn Circ J. 62(1). 47-52 (1998)
钙拮抗剂盐酸马尼地平对异丙肾上腺素引起的左心室肥厚的影响:“Yoshiyama,M.,Takeuchi,K.,Kim,S.,Hanatani,A.,Omura,T.,Toda,I.,Akioka,
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:

的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('', 18)}}的其他基金

An implantable biosensor microsystem for real-time measurement of circulating biomarkers
用于实时测量循环生物标志物的植入式生物传感器微系统
  • 批准号:
    2901954
  • 财政年份:
    2028
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Exploiting the polysaccharide breakdown capacity of the human gut microbiome to develop environmentally sustainable dishwashing solutions
利用人类肠道微生物群的多糖分解能力来开发环境可持续的洗碗解决方案
  • 批准号:
    2896097
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
A Robot that Swims Through Granular Materials
可以在颗粒材料中游动的机器人
  • 批准号:
    2780268
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Likelihood and impact of severe space weather events on the resilience of nuclear power and safeguards monitoring.
严重空间天气事件对核电和保障监督的恢复力的可能性和影响。
  • 批准号:
    2908918
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Proton, alpha and gamma irradiation assisted stress corrosion cracking: understanding the fuel-stainless steel interface
质子、α 和 γ 辐照辅助应力腐蚀开裂:了解燃料-不锈钢界面
  • 批准号:
    2908693
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Field Assisted Sintering of Nuclear Fuel Simulants
核燃料模拟物的现场辅助烧结
  • 批准号:
    2908917
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Assessment of new fatigue capable titanium alloys for aerospace applications
评估用于航空航天应用的新型抗疲劳钛合金
  • 批准号:
    2879438
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Developing a 3D printed skin model using a Dextran - Collagen hydrogel to analyse the cellular and epigenetic effects of interleukin-17 inhibitors in
使用右旋糖酐-胶原蛋白水凝胶开发 3D 打印皮肤模型,以分析白细胞介素 17 抑制剂的细胞和表观遗传效应
  • 批准号:
    2890513
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
CDT year 1 so TBC in Oct 2024
CDT 第 1 年,预计 2024 年 10 月
  • 批准号:
    2879865
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Understanding the interplay between the gut microbiome, behavior and urbanisation in wild birds
了解野生鸟类肠道微生物组、行为和城市化之间的相互作用
  • 批准号:
    2876993
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship

相似国自然基金

供应链管理中的稳健型(Robust)策略分析和稳健型优化(Robust Optimization )方法研究
  • 批准号:
    70601028
  • 批准年份:
    2006
  • 资助金额:
    7.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
心理紧张和应力影响下Robust语音识别方法研究
  • 批准号:
    60085001
  • 批准年份:
    2000
  • 资助金额:
    14.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
ROBUST语音识别方法的研究
  • 批准号:
    69075008
  • 批准年份:
    1990
  • 资助金额:
    3.5 万元
  • 项目类别:
    面上项目
改进型ROBUST序贯检测技术
  • 批准号:
    68671030
  • 批准年份:
    1986
  • 资助金额:
    2.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

CAREER: Unary Computing in Memory for Fast, Robust and Energy-Efficient Processing
职业:内存中的一元计算,实现快速、稳健和节能的处理
  • 批准号:
    2339701
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Towards Motion-Robust and Efficient Functional MRI Using Implicit Function Learning
使用内隐功能学习实现运动稳健且高效的功能 MRI
  • 批准号:
    EP/Y002016/1
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Research Grant
CAREER: Exploring Mixed-Signal Computation for Energy-Efficient and Robust Brain-Machine Interfaces
职业:探索节能且鲁棒的脑机接口的混合信号计算
  • 批准号:
    2338159
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
CAREER: New data integration approaches for efficient and robust meta-estimation, model fusion and transfer learning
职业:新的数据集成方法,用于高效、稳健的元估计、模型融合和迁移学习
  • 批准号:
    2337943
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: III: Small: Efficient and Robust Multi-model Data Analytics for Edge Computing
协作研究:III:小型:边缘计算的高效、稳健的多模型数据分析
  • 批准号:
    2311596
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: III: Small: Efficient and Robust Multi-model Data Analytics for Edge Computing
协作研究:III:小型:边缘计算的高效、稳健的多模型数据分析
  • 批准号:
    2311598
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
Robust and Efficient Model-based Reinforcement Learning
稳健高效的基于模型的强化学习
  • 批准号:
    EP/X03917X/1
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Research Grant
Construction of an Efficient and Robust Ophthalmic Big Data and AI System through Implementation of Federated Learning
通过实施联邦学习构建高效、鲁棒的眼科大数据和人工智能系统
  • 批准号:
    23K17434
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
FREEpHRI: Flexible, Robust and Efficient physical Human-robot Interaction with iterative learning and self-triggered role adaption
FREEpHRI:灵活、稳健、高效的物理人机交互,具有迭代学习和自我触发的角色适应能力
  • 批准号:
    EP/V057782/2
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Fellowship
Development of an Efficient, Parameter Uniform and Robust Fluid Solver in Porous Media with Complex Geometries
复杂几何形状多孔介质中高效、参数均匀且鲁棒的流体求解器的开发
  • 批准号:
    2309557
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了