Understanding the Neural Mechanisms Controlling Brain-wide Dynamics

了解控制全脑动态的神经机制

基本信息

  • 批准号:
    10577891
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 44.64万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-03-01 至 2026-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT Behavior emerges from the flow of information between brain regions. For example, finding a friend in a crowd requires the interaction of brain regions performing sensory processing, memory processing, and motor responses. Disrupting how neural activity flows through the brain is thought to lead to deficits in several neuropsychiatric and neurological disorders, including schizophrenia and autism spectrum disorder. However, the neural mechanisms controlling the flow of information through the brain are not well understood. To capture how information flows through the brain, we recently used mesoscale calcium imaging to record the dynamics of neural activity across the dorsal cortex of mice. Surprisingly, we found cortex-wide neural dynamics could be captured in 14 unique spatiotemporal patterns of neural activity. These ‘motifs’ of activity occurred repeatedly, were common to all mice, and were associated with specific behaviors. Importantly, identifying these motifs allows us to quantify how neural activity is flowing across cortex. Here, we will leverage this ability to understand the neural mechanisms that control the expression of different motifs and, thus, control the flow of neural activity across the brain. Our Aims will address three key components of control: First, information must be routed between brain regions. Activity from a brain region can flow to several possible downstream regions (to support different behaviors). Using mesoscale calcium imaging, we will quantify how activity is routed through the brain at each moment in time. Simultaneous electrophysiology and optogenetics will then test two prominent hypotheses that predict activity is routed differently depending on 1) how information is represented in the population of neurons and 2) the frequency of synchronous oscillations. Second, the brain must be able to control how neural activity flows through cortex. Prefrontal cortex and the basal ganglia are two regions thought to provide such control. However, their role in guiding cortex-wide neural dynamics has never been directly tested. Therefore, our second aim will combine mesoscale imaging, electrophysiology, and optogenetics to test whether neurons in prefrontal cortex or basal ganglia control the expression of different motifs and, thus, control how neural activity flows through the brain. Third, in order to learn a new behavior, one must learn the pattern of neural activity that supports that behavior. Neuromodulation is thought to be critical for such learning: current models propose norepinephrine explores new patterns while dopamine refines patterns. To test this, our third aim will combine mesoscale imaging with recording and stimulation of noradrenergic/dopaminergic midbrain neurons while animals learn new behaviors. In this way, we aim to understand how neuromodulation changes behavior and cortex-wide neural dynamics. Our innovative combination of mesoscale imaging, electrophysiology, and optogenetics will provide insight into how neural activity is routed (Aim 1) and how cortex-wide dynamics are controlled (Aim 2) and learned (Aim 3). By understanding these mechanisms, we hope to improve treatments for diseases disrupting cognitive control.
项目摘要/摘要 行为来自大脑区域之间的信息流。例如,在人群中找到一个朋友 需要进行感觉处理,记忆处理和电动机的大脑区域的相互作用 回答。破坏神经活动如何流过大脑的方式被认为是在几个中定义的 神经精神病学和神经系统疾病,包括精神分裂症和自闭症谱系障碍。然而, 控制通过大脑信息流的神经元机制尚不清楚。 为了捕获信息如何流过大脑,我们最近使用中尺度钙成像记录 跨小鼠背皮层神经元活性的动力学。令人惊讶的是,我们发现宽皮质神经元 动力学可以以14个独特的神经活动时空模式捕获。这些活动的“主题” 发生反复发生,是所有小鼠常见的,并且与特定行为有关。重要的是, 识别这些基序使我们能够量化中性活性在皮质上流动的方式。在这里,我们将利用 这种能够理解控制不同基序表达的神经机制的能力,因此 控制整个大脑的神经活动的流动。我们的目标将解决控制的三个关键组成部分: 首先,必须在大脑区域之间路由信息。大脑区域的活动可以流到几个 可能的下游区域(以支持不同的行为)。使用中尺度钙成像,我们将 量化在每时每刻如何通过大脑路由活动的方式。同时进行电生理学和 然后,光遗传学将检验两个明显的假设,这些假设预测活动的路由不同,具体取决于1) 信息如何在神经元的种群中表示和2)同步振荡的频率。 其次,大脑必须能够控制神经活动如何通过皮质流动。前额叶皮层和 基底神经节是两个被认为提供这种控制的区域。但是,它们在指导整个皮质中性的作用 动力学从未直接测试。因此,我们的第二个目标将结合中尺度成像, 电生理学和光遗传学测试前额叶皮层或基底神经节中的神经元是否控制 不同基序的表达,因此控制神经活动如何流过大脑。 第三,为了学习一种新行为,必须学习支持该行为的神经活动模式。 神经调节被认为对这种学习至关重要:当前模型建议去甲肾上腺素探索 新模式,而多巴胺会完善模式。为了测试这一点,我们的第三个目标将与中尺度成像与 在动物学习新行为的同时,记录和刺激去甲肾上腺素/多巴胺能中脑神经元。 通过这种方式,我们旨在了解神经调节如何改变行为和范围范围的神经动力学。 我们的中尺度成像,电生理学和光遗传学的创新组合将提供有关 神经活动的路线如何(AIM 1)以及如何控制皮质范围的动力学(AIM 2)和学习(AIM 3)。 通过了解这些机制,我们希望改善破坏认知控制的疾病的治疗方法。

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 }}

Timothy J. Buschman其他文献

Timothy J. Buschman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('Timothy J. Buschman', 18)}}的其他基金

Neural Mechanisms of Rule-Based Behavior
基于规则的行为的神经机制
  • 批准号:
    10580819
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Understanding the Neural Mechanisms Controlling Brain-wide Dynamics
了解控制全脑动态的神经机制
  • 批准号:
    10366350
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Understanding the Network Mechanisms that Control Working Memory
了解控制工作记忆的网络机制
  • 批准号:
    10433937
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Understanding the Network Mechanisms that Control Working Memory
了解控制工作记忆的网络机制
  • 批准号:
    10005468
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Developing an Adaptive Cognitive Prosthetic to Replace Damaged Brain Regions
开发自适应认知假体来替代受损的大脑区域
  • 批准号:
    8755948
  • 财政年份:
    2014
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Controlling Interareal Gamma Coherence by Optogenetics, Pharmacology and Behavior
通过光遗传学、药理学和行为控制区域间伽玛相干性
  • 批准号:
    8708970
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Controlling Interareal Gamma Coherence by Optogenetics, Pharmacology and Behavior
通过光遗传学、药理学和行为控制区域间伽马相干性
  • 批准号:
    8661826
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Controlling Interareal Gamma Coherence by Optogenetics, Pharmacology and Behavior
通过光遗传学、药理学和行为控制区域间伽玛相干性
  • 批准号:
    8208975
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Controlling Interareal Gamma Coherence by Optogenetics, Pharmacology and Behavior
通过光遗传学、药理学和行为控制区域间伽玛相干性
  • 批准号:
    8027978
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:

相似国自然基金

干细胞移植重建缺氧缺血损伤脑基底神经节环路
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目
干细胞移植重建缺氧缺血损伤脑基底神经节环路
  • 批准号:
    32270849
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    54.00 万元
  • 项目类别:
    面上项目
光遗传在基底神经节-丘脑-皮层神经回路脑疾病中的动力学建模调控
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    62 万元
  • 项目类别:
rTMS通过前额叶-基底神经节环路调控射精行为的信息处理机制研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    24 万元
  • 项目类别:
基底神经节兴奋—抑制通路对运动疲劳的调控作用及机制研究
  • 批准号:
    31971095
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    58 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Investigation of a novel ventral pallidum population expressing corticotropin-releasing factor receptor 1
表达促肾上腺皮质激素释放因子受体 1 的新型腹侧苍白球群体的研究
  • 批准号:
    10677069
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
BRAIN CONNECTS: Center for a pipeline of high throughput integrated volumetric electron microscopy for whole mouse brain connectomics
大脑连接:用于全小鼠大脑连接组学的高通量集成体积电子显微镜管道中心
  • 批准号:
    10665386
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Understanding the Distributed Control of Flexible Behavior
了解灵活行为的分布式控制
  • 批准号:
    10640703
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
DREADD Manipulations of Drug Choice
药物选择的可怕操纵
  • 批准号:
    10574862
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
Striatal Microcircuit Mechanisms of Tardive Dyskinesia
迟发性运动障碍的纹状体微电路机制
  • 批准号:
    10634474
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 44.64万
  • 项目类别:
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了