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Gating mechanisms of visuomotor plasticity in mouse cortex

English title Gating mechanisms of visuomotor plasticity in mouse cortex
Applicant Keller Georg
Number 188735
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research
Institution of higher education Institute Friedrich Miescher - FMI
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2023
Approved amount 800'000.00
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Keywords (6)

Two-photon imaging; Cortical plasticity; Visual cortex; Systems neuroscience; Sensorimotor learning; Predictive processing

Lay Summary (German)

Lead
Bewusste Wahrnehmung wird ermöglicht durch die Funktion der Grosshirnrinde (Cortex). Die Verarbeitung sensorischer Reize im Cortex bleibt ein Leben lang plastisch und kann sich an neue Gegebenheiten anpassen. Dies geschieht zum Beispiel, wenn wir eine neue Sprache lernen, oder lernen ein Fahrrad zu fahren. Die Prozesse, die diese Art des Lernens ermöglichen und lenken sind noch nicht gut verstanden. In diesem Projekt werden wir die Mechanismen, die Plastizität in der Grosshirnrinde ermöglichen, untersuchen.
Lay summary

Während des Lernens einer motorischen Aufgabe werden die neuronalen Verknüpfungen in der Grosshirnrinde verändert. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, die Mechanismen zu identifizieren, die diese Phasen der Plastizität ermöglichen. Synaptische Veränderungen kommen in spezifischen Phasen vor, dann wenn neues gelernt wird. Basierend auf Forschung in Mäusen, wissen wir, dass während des Lernens einer neuen motorischen Aufgabe die Verknüpfungen in der Grosshirnrinde so verändert werden, dass bei gegebener motorischer Aktivität die korrespondierenden sensorischen Nervenzellen direkt aktiviert werden. Das erlaubt es dem Gehirn, die sensorischen Konsequenzen der eigenen Bewegung vorauszusagen. Diese Veränderung müssen gezielt aber dann geschehen, wenn die Maus etwas Neues lernt, und nicht ausserhalb dieser Lernphasen. Um diese Vorgänge zu erforschen, werden wir Mäuse trainieren eine neue motorische Fähigkeit zu erlernen. Konkret werden wir sie trainieren eine Art Videospiel zu spielen. Während die Mäuse dies lernen werden wir gezielt neuronale Aktivität messen und künstlich induzieren in Schaltkreisen, von denen wir annehmen, dass sie die Plastizität verstärken oder abschwächen können.

Direct link to Lay Summary Last update: 02.10.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
149341 Sensorimotor learning in mouse visual cortex 01.01.2014 Project funding (Div. I-III)
155795 Plasticity and dynamics of predictive signals in mouse visual cortex 01.02.2015 Temporary Backup Schemes
155795 Plasticity and dynamics of predictive signals in mouse visual cortex 01.02.2015 Temporary Backup Schemes

Abstract

The aim of this research proposal is to identify the mechanisms that gate cortical plasticity during sensorimotor learning. We know that sensorimotor learning shapes the cortical circuit in both motor and sensory regions of cortex. It is unclear, however, how the underlying plasticity is gated and controlled. One aspect of this gating are developmental phases, or critical periods, for plasticity. Both sensory and sensorimotor processing have specific phases during development in which they exhibit increased potential for plasticity. A second aspect of gating are context dependent switches that need to occur on a faster timescale. In imitation learning, for example, passive exposure to the stimulus to be imitated needs to trigger plasticity in a memory circuit, while active practice should trigger plasticity in motor circuits. Here we will use a visuomotor learning paradigm to study context dependent control of plasticity. Our work over the past few years has shown that one of the functions of mouse visual cortex is to detect deviations between expected and actual visual feedback. These deviation - or prediction error - signals are speculated to be used to drive plasticity in the motor circuits controlling behavior, as well as update the top-down input necessary to compute prediction errors. Consistent with this, we have found that both activity in visual cortex as well as top-down input from motor related areas are shaped by visuomotor experience. Which connections in this circuit are modified by learning or what gates this plasticity is still unknown. We plan to approach this question through separate lines of inquiry that can summarized in four aims. First, we plan to identify the output pathways of prediction error signals that could trigger updates of motor-related activity and induce plasticity. Second, using tools with which we can prevent plasticity in a specific subset of neurons, we will identify the different circuit elements that are modified during visuomotor learning. Third, we will test the capacity of neuromodulation to gate visuomotor plasticity using functional recordings and optogenetic manipulations of neuromodulatory inputs. Fourth, we will quantify to what extent subcortical circuits influence and gate long-range cortical plasticity. All of these four aims are directed towards identifying the circuit mechanisms that gate cortical plasticity during visuomotor learning. Through this research, we hope to achieve a better understanding of how sensorimotor experience shapes cortical function.
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