A neuroethological model of sensorimotor processing in animal-animal interactions

点击翻译按钮获取中文摘要

Project Summary  Animals  interact  with  members  of  their  own  or  other  species  in  the  context  of  social  and  defensive  behaviors, predator-­prey relationships and symbioses. In all such contexts, execution of the appropriate  kind  of  interaction  depends  on  a  sensorimotor  pathway  that  transduces  information  about  another  organism and generates a behavioral response. Core principles of such sensorimotor pathways remain  mysterious,  including  how  representations  of  other  animals  are  constructed  in  the  brain  based  on  multisensory  information,  and  how  such  neural  representations  are  appraised  by  decision-­making  circuitry to select the appropriate action. Imaging neural activity in behaving animals offers the potential  to  make  breakthroughs  in  the  mechanistic  understanding  of  how  animals  interact.  In  particular,  generalizable  insights  into  sensorimotor  processing  may  come  from  model  species  with  small,  minimally complex brains that are nevertheless capable of executing complex behavioral interactions.  Current  small-­brained  model  systems,  however,  have  an  inherent  limitation  in  that  they  must  be  physically restrained for brain imaging—a procedure that strongly restricts their capacity to engage in  behavioral interactions. To overcome this problem, tools for behavioral analysis and brain imaging will  be developed for a novel invertebrate model with a specialized phenotype that enables it to retain its  capacity  to  interact  with  other  organisms  even  when  tethered  and  head  fixed  for  brain  imaging.  The  rove beetle, Dalotia coriaria, possesses a flexible abdomen that is used as an appendage to engage in  reproductive  and  aggressive  interactions  with  conspecifics;;  the  abdomen  also  houses  a  targetable  chemical defense gland that can be accurately targeted to secrete noxious benzoquinones directly onto  heterospecific  threats.  The  mode  of  deployment  of  the  abdomen  provides  a  direct  readout  of  the  sensorimotor  processing  that  occurs  when  the  beetle  encounters  different  types  of  animal.  In  this  proposal, a closed-­loop virtual reality platform will be constructed in which tethered Dalotia’s behavior  can be quantified using machine vision as the beetle interacts in a naturalistic fashion with real or fictive  animals.  This  platform  will  be  used  to  experimentally  deconstruct  how  Dalotia  integrates  different  sensory  modalities  to  build  internal  representations  of  other  living  organisms.  Transgenic  Dalotia  will  be  created  that  express  a  genetically-­encoded  calcium  sensor  in  defined  brain  regions.  Combining  these technologies, functional imaging of the brain of Dalotia will be achieved while the beetle performs  naturalistic interactions with other organisms. This proposal will be foundational for further exploitation  of this model system to reveal how sensorimotor processes enable animals to interact.