Nonlinear Control in the Nematode C. elegans.
Nonlinear Control in the Nematode C. elegans.
复制标题
线虫C.秀丽隐杆线虫中的非线性控制。
DOI：
10.3389/fncom.2020.616639
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发表时间：
2020
影响因子：
3.2
通讯作者：
Kutz JN
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Morrison M;Fieseler C;Kutz JN
最近对线虫的全脑钙成像记录表明，与行为相关的神经活动由低维流形上的动力学控制，该流形可以根据行为状态进行聚集。以前的线虫动力学模型要么是线性模型，不能支持系统中多个固定点的存在，要么是马尔可夫切换模型，它不描述线虫神经动力学中的控制信号如何在稳定状态之间产生切换。目前尚不清楚神经元网络如何产生快速和缓慢的时间尺度动力学，控制单一模型中稳定状态之间的转换。我们提出了一个全局的、非线性的控制模型，该模型是最小参数的，并且用单个动力系统的马尔可夫切换模型来描述状态转移。通过再现钙离子成像数据中主导主成分分析模式的时间序列，对模型进行了拟合。可以通过控制模型中单个参数的变化来表征过渡统计数据的长时间和短时间尺度的变化。其中一些宏观尺度的转变与单个神经调节器具有实验相关性，这些神经调节器似乎充当生物控制，使该模型能够就这些神经调节器对全球动力学的影响产生可检验的假说。该理论为线虫神经元种群动力学的控制提供了一个很好的描述。此外，非线性控制框架的数学结构提供了一种可推广到具有任意数量行为状态的更复杂系统的范例。
Recent whole-brain calcium imaging recordings of the nematode C. elegans have demonstrated that the neural activity associated with behavior is dominated by dynamics on a low-dimensional manifold that can be clustered according to behavioral states. Previous models of C. elegans dynamics have either been linear models, which cannot support the existence of multiple fixed points in the system, or Markov-switching models, which do not describe how control signals in C. elegans neural dynamics can produce switches between stable states. It remains unclear how a network of neurons can produce fast and slow timescale dynamics that control transitions between stable states in a single model. We propose a global, nonlinear control model which is minimally parameterized and captures the state transitions described by Markov-switching models with a single dynamical system. The model is fit by reproducing the timeseries of the dominant PCA mode in the calcium imaging data. Long and short time-scale changes in transition statistics can be characterized via changes in a single parameter in the control model. Some of these macro-scale transitions have experimental correlates to single neuro-modulators that seem to act as biological controls, allowing this model to generate testable hypotheses about the effect of these neuro-modulators on the global dynamics. The theory provides an elegant characterization of control in the neuron population dynamics in C. elegans. Moreover, the mathematical structure of the nonlinear control framework provides a paradigm that can be generalized to more complex systems with an arbitrary number of behavioral states.
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DOI：
10.1109/tnse.2020.3032117
发表时间：
2021-01
影响因子：
6.6
作者：
Morrison M;Kutz JN
通讯作者：
Kutz JN
影响因子：
16.2
作者：
Kaplan, Harris S.;Thula, Oriana Salazar;Zimmer, Manuel
通讯作者：
Zimmer, Manuel
影响因子：
3.2
作者：
Kunert-Graf, James M.;Shlizerman, Eli;Kutz, J. Nathan
通讯作者：
Kutz, J. Nathan
神经内分泌调节维持线虫前进运动状态
影响因子：
7.7
作者：
Lim MA;Chitturi J;Laskova V;Meng J;Findeis D;Wiekenberg A;Mulcahy B;Luo L;Li Y;Lu Y;Hung W;Qu Y;Ho CY;Holmyard D;Ji N;McWhirter R;Samuel AD;Miller DM;Schnabel R;Calarco JA;Zhen M
通讯作者：
Zhen M
影响因子：
4.3
作者：
Bentley B;Branicky R;Barnes CL;Chew YL;Yemini E;Bullmore ET;Vértes PE;Schafer WR
通讯作者：
Schafer WR