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Tübingen - Kyoto

Deutsch - Japanische Kooperation in Computational Neuroscience

Dekodierung von in vivo Zwei-Photonen Bilddaten aus dem Motorcortex der Maus
(gefördert von DFG und JST)

Dieses Projekt zielt darauf ab, das mathematische Prinzip lokaler neuronaler Schaltkreise zu verstehen, die in die Vorbereitung und Erzeugung von motorischem Verhalten involviert sind. Dazu wird in vivo Zwei-Photonen Kalzium-Bildgebung zusammen mit lernbasierter Dekodierung verwendet.

Gezielte Bewegungen werden effektiver, wenn sie vorangehend vorbereitet werden. Dieser Prozess der motorischen Planung gilt als - zumindest teilweise - durch den Motorcortex vermittelt. Diese Sichtweise wird dadurch unterstützt, dass die Nervenzellen im Motorcortex die Aktionspotentialrate modulieren während Tiere Bewegungen vorbereiten und ausführen. Allerdings ist nicht bekannt, wie die neuronalen Schaltkreise im Motorcortex arbeiten um die Vorbereitung in Ausführung zu konvertieren.

In vorliegendem Projekt werden Mäuse trainiert Unterarmbewegungen vorzubereiten und auszuführen, um dann die neuronale Aktivität im Motorcortex dieser Mäusen mit Hilfe von in vivo Zwei-Photonen Kalzium-Bildgebung zu untersuchen. Diese Methode wird es ermöglichen, die Aktivität einer Neuronenpopulation simultan abzubilden. Die Bilddaten enthalten umfangreiche Informationen, die mit einem auf maschinellem Lernen basierenden Dekoder analysiert werden. Zuerst werden die Bilddaten dekodiert, um die Reaktionszeit und andere bewegungsbezogene Parameter vorherzusagen. Durch dieses Verfahren identifiziert der Dekoder die Neuronen, welche die relevanten Informationen kodieren, indem er die Gewichtungsfaktoren für jedes individuelle Neuron feststellt. Durch die Untersuchung dieser Gewichtungsfaktoren zu verschiedenen Zeitpunkten während der Vorbereitung und Ausführung wird die zeitliche Dynamik der neuronalen Repräsentation dieser kognitiven Prozesse dargestellt.

Zweitens wird im Rahmen dieses Projekts untersucht, wie sich die Aktivitätszustände der Schaltkreise laufend - bis zur Ausführung der Unterarmbewegung - ändern. Um diese Dynamik des Aktivitätszustands zu verdeutlichen, wird der Decoder mit den Bilddaten eines bestimmten Rahmens – wie beispielsweise dem Input – trainiert, um die Aktivität eines Zielneurons im folgenden Rahmen vorauszusagen. Durch die Bestimmung der Gewichtungsfaktoren für jedes Neuron, werden die Neuronen identifiziert, die zu der Vorhersage der Aktivität des Zielneurons beitragen.

Durch diese Projekte wird die dynamische Veränderung der neuronalen Schaltkreisaktivität und das Verhalten des Tieres quantitativ verknüpft, was zu einem verbesserten Verständnis der computationalen Prozesse, die unserem Handeln zugrunde liegen, führt.

 


An dieser Kooperation sind folgende Wissenschaftler beteiligt:

  • Dr. Takashi Sato, Eberhard Karls Universität Tübingen
  • Prof. Yukiyasu Kamitani, Advanced Telecommunications Research Institute International in Kyoto, Japan

 

Deutscher Koordinator:

Dr. Takashi Sato

Structure and Function of Neural Circuits
Werner Reichardt-Centrum für integrative
Neurowissenschaften (CIN) 
Otfried-Müller-Straße 25
72076 Tübingen

Tel.: +49 (0)7071 29 89133
E-mail: takashi.sato@cin.uni-tuebingen.de

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