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Behavioral and neural mechanisms of primate cognition

English title Behavioral and neural mechanisms of primate cognition
Applicant Mante Valerio
Number 187201
Funding scheme SNSF Professorships
Research institution Institut für Neuroinformatik Universität Zürich Irchel und ETH Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2021
Approved amount 795'680.00
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Keywords (10)

decision making; awake behaving primates; electrophysiology; prefrontal cortex; executive function; dynamical systems; cognition; attention; artificial neural networks; population responses

Lay Summary (German)

Lead
Alle unsere Gedanken und Handlungen sind das Ergebnis der kollektiven Aktivität unzähliger Nervenzellen, die ihre Funktionen nicht eigenständig ausführen, sondern als Teil von komplexen, das ganze Hirn umspannenden Netzwerken. Mit Hilfe neuer experimenteller Verfahren werden wir in nicht-humanen Primaten die Aktivität dieser kaum erforschten Netzwerke direkt messen und dabei Einsichten in Hirnfunktionen erhalten, die in der Vergangenheit unerreichbar waren.
Lay summary

Alle unsere Gedanken und Handlungen sind das Ergebnis der kollektiven Aktivität unzähliger Nervenzellen, die ihre Funktionen nicht eigenständig ausführen, sondern als Teil von komplexen, das ganze Hirn umspannenden Netzwerken. Mit Hilfe neuer experimenteller Verfahren werden wir in nicht-humanen Primaten die Aktivität dieser kaum erforschten Netzwerke direkt messen und dabei Einsichten in Hirnfunktionen erhalten, die in der Vergangenheit unerreichbar waren.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, normale und beeinträchtigte Funktionen des präfrontalen Cortex (PFC) in Primaten zu verstehen. Der PFC ist für unsere höheren kognitiven Fähigkeiten, wie Entscheidungsfindung, zielgerichtetes Verhalten und Aufmerksamkeit, verantwortlich. Evolutionsgeschichtlich ist der PFC eines der jüngsten Teile des Gehirns, weshalb viele Areale des PFC nur bei Primaten existieren. Störungen in diesem Hirnbereich spielen eine zentrale Rolle in der Symptomatik von weit verbreiteten psychischen Erkrankungen, die oft nicht oder nur unzureichend behandelt werden können, wie Depressionen, Angst- und Suchterkrankungen und Schizophrenie. Während Affen verschiedene kognitive Aufgaben lösen, werden wir mit neuen experimentellen Methoden einerseits die simultane Aktivität von hunderten von Neuronen im PFC messen und andererseits diese neuronale Aktivität gezielt beeinflussen, um kurzzeitige und vollständig reversible kognitive Defizite auszulösen. Da beim Menschen die Hirnaktivität nicht mit der notwendigen räumlichen und zeitlichen Auflösung gemessen oder beeinflusst werden kann, sind solche Experimente mit Affen die einzige Möglichkeit, die der höheren Hirnfunktionen zugrundeliegende Aktivität zu beobachten und zu verstehen.

Diese Versuche werden neue Erkenntnisse über die normalen und gestörten Funktionen des präfrontalen Cortex liefern und damit die Grundlagen zur Entwicklung von besseren Therapien für psychische Krankheiten schaffen.

Direct link to Lay Summary Last update: 31.01.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Prefrontal cortex exhibits multidimensional dynamic encoding during decision-making
Aoi Mikio C., Mante Valerio, Pillow Jonathan W. (2020), Prefrontal cortex exhibits multidimensional dynamic encoding during decision-making, in Nature Neuroscience, 23(11), 1410-1420.
Nearest neighbours reveal fast and slow components of motor learning
Kollmorgen Sepp, Hahnloser Richard H. R., Mante Valerio (2020), Nearest neighbours reveal fast and slow components of motor learning, in Nature, 577(7791), 526-530.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Maneesh Sahani / University College London / Gatsby Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Hans Scherberger / German Primate Center Göttingen Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
David Sussillo / Stanford University / Google United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Richard Hahnloser / ETH Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
William Newsome / Stanford University and HHMI United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Swiss Primate Research Competence Center Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
157539 Neural population dynamics of primate cognition 01.10.2015 SNSF Professorships

Abstract

Neural computations emerge from the collective activity of large populations of interconnected neurons. To decipher the principles underlying these computations, we combine behavioral experiments in humans and non-human primates with large-scale neural recordings, causal perturbations of the neural dynamics, modern methods from statistics and machine learning, and computational modeling. We focus on the visuo-motor system, which provides the dominant mode of interaction with the environment in primates, and reveals the interplay of a variety of perceptual, cognitive, and motor processes. The visuo-motor system provides a degree of experimental control that is unmatched by other modalities, and will allow us to move beyond artificial, impoverished behavioral paradigms towards studying brain function in naturalistic settings. We aim to obtain a comprehensive characterization of the neural population dynamics in these settings, to reveal the corresponding neural computations with mechanistic models, and to test quantitative predictions of these models with precise causal perturbation of the dynamics. The resulting understanding of the neural computations underlying cognitive functions will provide us with a powerful platform to elucidate the neural underpinnings of cognitive impairments in psychiatric disorders.
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