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伦纳多实验室

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神经电路动力学和行为的计算原理
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行为如何来自分布在许多神经回路之间的计算?

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实验室主管Anthony Leonardo和乐器设计专家Jason Osborne设计并建造了小型背包,以学习蜻蜓飞行。

行为,例如歌唱鸟或蜜蜂的飞行,平稳地展现出来,没有迹象表明它们是由巨大的相互联系的神经元网络产生的,这些神经元在背景中呼啸而过。正是电路动力学,计算和行为之间的这种神秘联系使我们向前迈进。我们研究神经回路的工作方式,它们的作用以及如何将它们连接在一起以产生计算和行为。

目前,我们的研究集中在sal和蜻蜓中的猎物捕获的神经基础上。猎物捕获足够复杂,以至于理解这将是远远超出已经表现得很好的自主行为的重要一步。然而,尽管其行为丰富,但猎物捕获并不是绝大多数的复杂。从感觉到电动机输出的基本循环只是几个处理阶段。这些计算始于早期的视觉电路,我们已经具有一定程度的强大计算基础。最终,我们希望表征从眼睛到肌肉的捕食捕获的整个电路动力学序列,从而形成闭环系统。对这两个系统的比较将使我们能够解决特定的神经回路是否如此擅长进行某些计算,以至于自然界一次又一次地使用了相同的电路,因此有一个基本神经电路原始的工具箱,从中构建了所有行为。

我们的工作采用系统级方法,将行为,神经记录和理论结合在一起。首先,我们在各种实验条件下对猎物捕获的精度和鲁棒性进行行为测量。其次,我们使用电生理和光学工具来测量大量神经元的反应。最后,我们基于控制和动态系统理论构建神经回路模型。这些模型定量地描述了神经回路如何体现特定计算以及这些计算将成功并失败。这些模型还对下游电路的行为和性质进行了预测,并且是驱动我们许多实验工作的引擎。

Salamander Prey Capture的精度和鲁棒性

sal是掠食性两栖动物;他们弹道发出舌头以捕捉迅速移动的昆虫。通过自由移动的sal和苍蝇进行的伦理研究使我们能够在各种条件下测量Salamander Prey捕获精度和鲁棒性。这些研究定义了行为的基本工作状态以及行为背后的神经回路必须发挥作用的条件。相应地,这些研究使我们能够从视网膜电路模型中测试定量预测,内容涉及猎物捕获精度和鲁棒性应如何变化,这是猎物尺寸,速度和背景照明的函数。这是我们尝试将宏观行为事件与神经电路模型的显微镜组件联系起来的一种方式。

猎物捕获期间视网膜中的电路动力学和计算

猎物捕获中的第一个处理阶段是视网膜,这是研究神经回路动力学的理想场所,因为其解剖结构是很好的定义,并且可以通过电生理测量和药理操作。我们使用多电极阵列和斑块记录来测量小型移动目标视觉刺激期间视网膜神经元的电活动。金宝搏官方将来,我们希望开发光学工具来同时测量数百个视网膜神经元的反应卢克·拉维斯(Luke Lavis)埃里克·贝齐格(Eric Betzig)(HHMI,Janelia Research Campus)。

立体记录

仅通过研究视网膜来理解视网膜中计算的希望几乎没有希望。最终,有必要在视神经膜上记录下游,以直接测量这些神经元如何解释和修改视网膜输出。随着我们对视网膜在猎物捕获中的作用的理解变得越来越复杂,我们正在准备开始从单张直肠神经元录制。这些研究将集中于在视网膜电路的背景下量化张直肠神经元反应,从而为它们提供输入。这将使我们能够开发底座的电路模型,这反过来又使我们能够开始揭开tectum在猎物捕获中的精确计算作用。

蜻蜓猎物的精确和鲁棒性

蜻蜓可以说是进化产生的最复杂的狩猎和飞行机器。通过进行快速飞行来预测和拦截猎物昆虫的轨迹,蜻蜓几乎捕获了他们追赶的所有昆虫。我们已经建立了一个大型的室内飞行竞技场,在该领域可以在受控的实验研究中飞行。类似于我们在萨拉曼德人的工作,飞行竞技场将用于衡量蜻蜓猎物捕获的工作状态,神经回路必须起作用的条件以及作为从神经回路模型中测试定量预测的工具鲁棒性应在不同的环境条件下改变。

蜻蜓神经线中目标选择性神经元的电路动力学

蜻蜓猎物捕获中的最终前运动计算是由腹神经线中的一组目标选择性神经元(TSDN)实现的。该集合由16个确定的神经元组成,这些神经元映射视觉空间,并且对小移动靶标的运动敏感,但也调节翼肌活动。金宝搏官方TSDN最初是由Rob Olberg(Union College)描述的,他假设其功能是改变蜻蜓的飞行路线以与猎物相交。我们正在开发电路模型,结合TSDN活性的电生理记录,它们正式描述了这些神经元对移动靶标的时间依赖性响应。金宝搏官方这些电路模型将对TSDN人群实施的计算进行紧凑的描述,并应洞悉如何使用TSDN输出在追赶飞行过程中驱动转弯肌肉。

飞蜻蜓中的无线录音

要充分理解行为需要在动物移动时测量神经元的反应。就蜻蜓而言,这需要在飞行过程中从蜻蜓神经元和肌肉中录制。在某种程度上,我们选择蜻蜓作为研究神经回路的系统,是由于它是足以承受重量的少数昆虫之一。与里德·哈里森(Reid Harrison)(犹他大学)合作,我们开始开发蜻蜓在猎物捕获期间可以携带的无线多通道神经放大器。与Rob Olberg合作,我们正在开发自定义电极,以记录来自完整的蜻蜓的TSDN。这些工具将在大型飞行竞技场中使用,以记录目标选择性神经元和肌肉,而蜻蜓正在捕捉猎物。结合高速视频和加速度计,这将为我们提供完整的测量,对蜻蜓猎物末端中使用的所有控制变量:视觉前神经元的响应及其驱动的肌肉的反应,在其驱动的肌肉中,位置变化,配置的位置变化翅膀,随之而来的转弯力以及它们的方式改变了蜻蜓相对于猎物的位置。