Synaptic mechanisms of temporal pattern separation
时间模式分离的突触机制
基本信息
- 批准号:10709772
- 负责人:
- 金额:$ 36.75万
- 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:2020-05-01 至 2025-03-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
PROJECT SUMMARY
Pattern separation is the process by which the brain distinguishes between similar or overlapping
features of the external world. This fundamental computation is performed by multilayered circuits – including
the dentate gyrus, cerebellar cortex, and insect mushroom body – that expand and diversify neural
representations. Diversity in “space” (i.e. the identities of neurons responding to a given stimulus) is achieved
by sparse and unstructured synaptic connectivity, but we currently lack an understanding of how synapses
generate diversity in time to support temporal pattern separation. This gap is due to two basic challenges: (1)
measuring dynamical properties of multiple synaptic inputs to a given neuron and (2) causally perturbing those
properties while monitoring downstream neurons and behavior.
Here we propose to overcome these challenges, by investigating synaptic mechanisms of temporal
pattern separation in a tractable experimental system: the mushroom body of the fruit fly, Drosophila. We have
developed new methods to rapidly characterize the short-term plasticity dynamics of multiple synaptic inputs to
a single neuron, as well as genetic strategies to perturb these dynamics. This enables a systematic
examination of how synapses generate diversity over time to separate fine temporal differences in sensory
inputs. In Aim 1, we will determine how populations of mushroom body neurons use temporal diversity to
expand their sensory coding capacity. In Aim 2, we will combine 2-photon optogenetic stimulation with whole-
cell electrophysiology to examine the organization of short-term plasticity properties across the synaptic inputs
to the mushroom body. In Aim 3, we will experimentally manipulate short-term plasticity at mushroom body
input synapses to study their role in associative learning. Together, these studies will reveal synaptic and
cellular mechanisms for temporal pattern separation in the mushroom body.
Although there are differences between flies and mammals, the basic logic of pattern separation is
strikingly conserved between circuits of invertebrates and vertebrates. These similarities suggest that
discoveries made in the fruit fly will be relevant to the mechanisms of temporal pattern separation in other
animals. A more thorough understanding of how short-term synaptic plasticity implements higher-order
computations has the potential to transform our understanding of the role of timing in learning and memory,
which could lead to improved treatments for memory-related disorders.
项目总结
模式分离是大脑区分相似或重叠的过程
外部世界的特征。这种基本计算由多层电路执行--包括
齿状回、小脑皮质和昆虫蘑菇体--它们扩展和多样化神经
申述。实现了“空间”(即对给定刺激作出反应的神经元的身份)的多样性
通过稀疏和非结构化的突触连接,但我们目前缺乏对突触如何
在时间上生成分集以支持时间模式分离。这一差距源于两个基本挑战:(1)
测量给定神经元的多个突触输入的动力学特性,以及(2)对这些特性进行因果扰动
属性,同时监控下游神经元和行为。
在这里,我们建议通过研究颞叶的突触机制来克服这些挑战。
一种易于处理的实验系统的模式分离:果蝇的蘑菇体。我们有
开发了新的方法来快速表征多个突触输入的短期可塑性动力学
单个神经元,以及扰乱这些动态的遗传策略。这使得系统化的
考察突触如何随时间产生多样性,以区分感觉上的细微时间差异
投入。在目标1中,我们将确定蘑菇体神经元群体如何利用时间多样性来
扩展它们的感官编码能力。在目标2中,我们将结合双光子光生刺激和整体-
细胞电生理学检查突触输入的短期可塑性的组织
放到蘑菇体上。在目标3中,我们将对蘑菇体的短期塑性进行实验操作
输入突触来研究它们在联想学习中的作用。总之,这些研究将揭示突触和
蘑菇体中时间模式分离的细胞机制。
尽管苍蝇和哺乳动物之间存在差异,但模式分离的基本逻辑是
在无脊椎动物和脊椎动物的环路之间惊人地保守。这些相似之处表明
在果蝇上的发现将与其他物种的时间模式分离机制相关
动物。更透彻地理解短时突触可塑性如何实现更高阶
计算有可能改变我们对时间在学习和记忆中的作用的理解,
这可能会改进记忆相关疾病的治疗方法。
项目成果
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