Project

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Deviant Signals in the Thalamocortical Loop: Circuitry and Perception

English title Deviant Signals in the Thalamocortical Loop: Circuitry and Perception
Applicant von der Behrens Wolfger
Number 172962
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Neuroinformatik Universität Zürich Irchel und ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.11.2017 - 31.05.2022
Approved amount 647'080.00
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Keywords (8)

Extracellular single-neuron recordings; Somatosensory cortex; Mouse; Optogenetics; Psychophysics; Mismatch negativity; Corticothalamic projections; Stimulus-specific adaptation

Lay Summary (German)

Lead
Seltene und abweichende Reize werden vom Gehirn bevorzugt verarbeitet und lösen eine charakteristische Aktivität aus, die bei bestimmten Erkrankungen beeinträchtigt ist. Dabei handelt es sich um eine wesentliche Eigenschaft kortikaler Informationsverarbeitung. In dem Projekt wird der zugrunde liegende neuronale Schaltkreis untersucht und wie er die Wahrnehmung beeinflusst.
Lay summary

Das Gehirn ist konstant einer Flut von Reizen ausgesetzt. Eine der grössten Herausforderungen ist es, aus diesem Strom wichtige Stimuli zu extrahieren. Während sich wiederholende Reize im Hintergrund nicht mehr wahrgenommen werden (z.B. Blätterrauschen im Wald) sind abweichende Reize, die sich vom Hintergrund abheben (z.B. ein knackender Ast) besonders relevant und lösen eine Verschiebung der Aufmerksamkeit in Richtung des neuen Ereignisses aus. Parallel zu dieser bevorzugten Wahrnehmung lösen abweichende Reize auch ein charakteristisches neuronales Aktivitätsmuster aus. Dieses Signal reflektiert eine elementare Eigenschaft des Gehirns, welche es erst ermöglicht, die Umwelt zu strukturieren und so eine Überflutung der Verarbeitungskapazitäten verhindert. Zugleich ist dieses Signal ein wichtiges Instrument, um grundlegende zentralnervöse Verarbeitung zu untersuchen, sowohl in gesunden Subjekten als auch bei bestimmten Erkrankungen.
Das Projekt hat zum Ziel, den neuronalen Schaltkreis zu identifizieren, der sensorische Abweichungen detektiert und zu untersuchen, wie entsprechende Abweichungssignale generiert werden. Der untersuchte Schaltkreis ist die Schleife, die Thalamus und Grosshirnrinde reziprok verbindet. Dabei werden  in Mäusen einzelne Nervenzellen sowohl gemessen und als auch mit neuen optischen Methoden gezielt manipuliert. Gleichzeitig müssen diese Tiere dabei eine sensorische Abweichung detektieren.
In diesem Projekt wird eine fundamentale Eigenschaft der Grosshirnrinde untersucht, die beim Menschen ausgesprochen intensiv erforscht wird.  Mit den geplanten Versuchen im Tiermodell wird der zu Grunde liegende Mechanismus  identifiziert, was letztendlich auch zu einem besseren Verständnis der neuronalen Informationsverarbeitung  im menschlichen Gehirn führt. Eine besondere Bedeutung werden die neu gewonnen Erkenntnisse für das Verständnis bestimmter Pathologien haben und möglicherweise neue diagnostische und therapeutische Ansätze aufweisen.

Direct link to Lay Summary Last update: 21.09.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Evoked Response Strength in Primary Auditory Cortex Predicts Performance in a Spectro-Spatial Discrimination Task in Rats
GronskayaElena, von der BehrensWolfger (2019), Evoked Response Strength in Primary Auditory Cortex Predicts Performance in a Spectro-Spatial Discrimination Task in Rats, in The Journal of Neuroscienc, 39(31), 6108-6121.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Giacomo Indiveri, Institute of Neuroinformatics, UZH and ETH Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. Eleni Vasilaki, Computational Neuroscience & Neural Engineering, University of Sheffield Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
ZNZ Online-Symposium Poster Deviant stimuli improve signal detection in the mouse somatosensory system 09.09.2020 Online (Zurich), Switzerland Ghasemi Nejad Newsha; English Gwendolyn; von der Behrens Wolfger;
FENS 2020 virtual forum Poster Deviant stimuli improve signal detection in the mouse somatosensory system 11.07.2020 Online (planed: Glasgow), Great Britain and Northern Ireland English Gwendolyn; Ghasemi Nejad Newsha; von der Behrens Wolfger;
MMN2018: The 8th Mismatch Negativity conference Talk given at a conference Deviance detection in the rat primary somatosensory cortex 12.06.2018 Helsinki, Finland von der Behrens Wolfger;


Abstract

The sensory systems receive a constant stream of input. Identifying behaviourally relevant stimuli within this stream is one of the major challenges for the nervous system. Rare and deviating stimuli usually have a higher relevance as they may indicate a new event. In human electroencephalography (EEG) recordings such deviants elicit a characteristic activity called mismatch negativity (MMN). In recent years two different deviant signals have been discussed as a potential single neuron correlates of MMN. One deviant signal is stimulus-specific adaptation (SSA) during the early onset response. Here, the response specifically adapts to high probability stimuli but does not generalize to rare stimuli. The other deviant signal is an additional late component that signals specifically a rule violation (‘true deviance detection’) and not just rarity. The relationship between these two deviant signals and MMN remains speculative as well as the underlying neuronal circuitry. The proposed project will address this gap in the somatosensory system of the mouse. In human EEG recordings a somatosensory MMN response has been demonstrated and recently, we demonstrated the existence of a similar true deviance detection signal in in layer 4 neurons of the barrel cortex. The central hypothesis of this project is that the corticothalamic projections from layer 6 gate the thalamic transmission of deviant stimuli. Corticothalamic projections have been shown to be selectively involved in controlling the adaptation and sensory relay in the thalamus and carry early deviant signals. These layer 6 corticothalamic projection can be targeted selectively in a transgenic mouse line.The first subproject will focus on the corticothalamic projections as a key element in the generation of deviant signals in the lemniscal and paralemniscal pathway of the somatosensory system. Three questions will be addressed. First, which deviant signals (SSA or true deviance detection) occur in the lemniscal or paralemniscal whisker pathway (SP1a)? Second, do these deviant signals in thalamic neurons correlate with the strength of the corticothalamic input (SP1b)? Third, how does selective optogenetic silencing of corticothalamic projections changes the deviant signals in thalamus and cortex (SP1c)?In the second subproject the relationship between deviant signals and perception will be investigated. First, cortical deviant signals will be correlated with the behavioural deviant detection (SP2a). Next, the involvement of the layer 6 corticothalamic projections in this perception deviant detection will be studied. In parallel to a behavioural deviant detection paradigm, the corticothalamic projection will be either silenced or stimulated optogenetically in order to establish a causal involvement of them in perceiving deviant stimuli with increased saliency (SP2b and SP2c).The proposed project addresses a key question of how the nervous system structures the sensory input and how this effects perception. It will help to understand basic processing in the thalamocortical loop better and it will potentially elucidate the mechanism underlying MMN as well. MMN has become an important tool for clinical research in recent years. Ultimately, the proposed project may contribute to a better understanding of the changes underlying psychiatric pathologies like schizophrenia where altered deviant signals are observed.
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