Neural Circuits for Error Correction

Projektbeschreibung

Den Zusammenhang zwischen neuronalen Berechnungen und Bewegungskorrektur verstehen

Die Ausführung von Aufgaben durch den Organismus erfordert eine schnelle Korrektur fehlerhafter Handlungen auf der Grundlage der aktuellen Körperhaltung und der verhaltensbezogenen Ziele. Die Mechanismen der Kontrolle und Koordination dieser Funktionen im Zentralnervensystem sind bisher nicht bekannt. Das Ziel des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts ECoFly besteht darin, die Kreisläufe zu untersuchen, die an der Bewegungsüberwachung beteiligt sind und als wichtige Vermittler zwischen der motorischen Planung und der haltungsabhängigen Ausführung dienen, und zwar anhand des Gehirns von Drosophila melanogaster. In früheren Studien wurde ein Kreislauf identifiziert, der auf die Winkelgeschwindigkeit reagiert und mit dem Äquivalent einer Wirbelsäule der Fliege sowie mit Gehirnregionen höherer Ordnung verbunden ist. Mithilfe einer Kombination aus Elektronenmikroskopie, Verhalten, Physiologie, Optogenetik und Modellierung werden die Forschenden die Mechanismen für die Kurskorrektur aufdecken und kausale Zusammenhänge zwischen neuronalen Berechnungen und Bewegung herstellen.

Ziel

To survive in natural habitats, animals move through space according to their goals. However, the uncertainties of the environment, alongside inevitable variations in neuromuscular signals, change the context in which a walking step occurs, leading to unintended movement. Thus, task performance can be jeopardized if the erroneous action is not rapidly corrected based on current posture and behavioral goals. How these aspects of control functions are implemented and coordinated across the Central Nervous System remains unknown. Here we propose studying the circuits involved in monitoring our movements, since they are key intermediaries between motor planning and posture-dependent execution. Using the compact brain of the fly Drosophila melanogaster, we will ask two fundamental questions: how is neural activity distributed across multiple networks integrated to estimate self-motion? How is this internal estimate used to correct erroneous movement? Using a self-paced behavior, in which a fly drifting from a stable heading turns based on an internal drift estimate, we have found a circuit sensitive to angular velocity, richly interconnected to the flys analogue of the spinal cord and higher-order brain areas, and critical to drift-based turns. We will leverage these results, and combine them with electron microscopy, behavior, physiology, optogenetics and modelling to study circuit mechanisms for course correction. We will: 1) use connectomics and manipulations of neural activity to identify pathways involved in corrective turns, 2) record from the identified neurons and correlate their activity with behavior, 3) perturb cell type-specific neurons to test their role on self-motion computations and on corrective turns, and 4) test neural activity in different behavioral contexts. These experiments will establish unprecedented causal relationships between neural computations and movement and reveal the functional organization of distributed circuits for walking control.