Pubblicazioni - Salk Institute for Biological Studies

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Tsuda, B., Pate, SC, Tye, KM, Siegelmann, HT, Sejnowski, TJ I neuromodulatori generano molteplici comportamenti contestuali rilevanti nelle reti neurali ricorrenti. (2026) Calcolo neurale.:1-36 DOI: 10.1162/NECO.a.1489

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Keller, TA, Muller, L., Sejnowski, TJ, Welling, M. Una prospettiva spaziotemporale sul calcolo dinamico nei sistemi di elaborazione delle informazioni neurali. (2026) Italiano:

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Wagner, M., Chen, Y., Karuvally, A., Cameron, M., Sejnowski, TJ Bilanciamento di stabilità e flusso nelle reti ippocampali tramite pregiudizi induttivi e rottura della simmetria appresa. (2026) bioRxiv. DOI: 10.64898 / 2026.02.06.704443

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Sejnowski, TJ Meccanismi dinamici per il coordinamento della memoria di lavoro a lungo termine basati sulla precisione del timing degli spike nei neuroni corticali. (2025) Italiano:

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Nel secolo scorso, la maggior parte degli studi sensomotori sui neuroni corticali si basava su frequenze di scarica medie. La codifica della frequenza è efficiente per un'elaborazione sensomotoria rapida che avviene entro pochi secondi. Si sa molto meno sulla memoria di lavoro a lungo termine con una scala temporale di ore (Ericsson e Kintsch, 1995). La scoperta della precisione al millisecondo dell'inizio degli spike nei neuroni corticali è stata inaspettata (Mainen e Sejnowski, 1995). Ancora più sorprendente è stata la precisione degli spike in vivo, in risposta a input sensoriali rapidamente fluttuanti, suggerendo che i circuiti neurali potrebbero, in linea di principio, preservare e manipolare le informazioni sensoriali attraverso la temporizzazione degli spike. Ciò potrebbe supportare la plasticità dipendente dalla temporizzazione degli spike (STDP), che è innescata dalla temporizzazione relativa degli spike tra neuroni presinaptici e postsinaptici nell'ordine dei millisecondi. Quali meccanismi di temporizzazione degli spike potrebbero regolare la STDP in vivo? Onde viaggianti corticali sono state osservate in molte bande di frequenza con elevata precisione temporale. Le onde viaggianti presentano fronti d'onda che potrebbero collegare la temporizzazione degli spike alla STDP. Quando un fronte d'onda attraversa una colonna corticale, le sinapsi eccitatorie sui dendriti delle cellule piramidali e a canestro vengono stimolate in modo sincrono. Le cellule a canestro inibitorie formano un calice sui corpi cellulari piramidali e il rimbalzo inibitorio successivo a una forte iperpolarizzazione transitoria può innescare un potenziale d'azione retropropagante, che si manifesta poco dopo gli input eccitatori sui dendriti piramidali. L'STDP attivato in questo modo potrebbe persistere per ore, creando una rete di secondo livello. Questa rete temporanea potrebbe supportare la memoria di lavoro a lungo termine, una rete cognitiva che si colloca al di sopra della rete sensomotoria a lungo termine. Da sole, le onde viaggianti e l'STDP non hanno ancora fornito nuove informazioni sulla funzione corticale. Insieme, potrebbero essere responsabili del nostro modo di pensare (Sejnowski, 2025).

Pinto-Duarte, A., Bogue, K., Sejnowski, TJ, Srinivasan, S. Conservazione della densità gliale e dei rapporti tra i tipi di cellule all'interno di una regione del cervello nei mammiferi. (2025) Nesso PNAS. 4(11):pgaf314. DOI: 10.1093/pnasnexus/pgaf314

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Nakahira, Y., Liu, Q., Deng, X., Sejnowski, TJ, Doyle, JC La diversità elimina i limiti dei componenti nel controllo sensomotorio. (2025) Calcolo neurale.:1-24 DOI: 10.1162/neco.a.24

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Moreira, JPC, Carvalho, VR, Mendes, EMAM, Fallah, A., Sejnowski, TJ, Lainscsek, C., Comstock, L. Un set di dati EEG ad accesso aperto per la decodifica del parlato: esplorazione del ruolo dell'articolazione e della coarticolazione. (2025) Dati scientifici. 12(1):1017. DOI: 10.1038/s41597-025-05187-2

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Kirk, LM, Garcia, GC, Hanka, DC, Zatyko, K., Bartol, T., Sejnowski, TJ, Harris, KM Le vescicole presinaptiche forniscono la membrana per l'allargamento dei bottoni assonali durante l'LTP. (2025) bioRxiv. DOI: 10.1101 / 2025.04.29.651313

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Bartol, TM, Ordyan, M., Sejnowski, TJ, Rangamani, P., Kennedy, MB Un modello spaziale di autofosforilazione di CaMKII prevede che la durata di vita della fosfo-CaMKII dopo l'induzione della plasticità sinaptica sia notevolmente prolungata dall'intrappolamento di CaM. (2025) Neuroscienze sinaptiche anteriori. 17:1547948. DOI: 10.3389/fnsyn.2025.1547948

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La potenziamento a lungo termine (LTP) è un processo biochimico alla base dell'apprendimento nelle sinapsi glutammatergiche eccitatorie del Sistema Nervoso Centrale (SNC). Un fattore precoce e critico dell'LTP è l'autofosforilazione dell'abbondante enzima postsinaptico, la proteina chinasi II Ca/calmodulina-dipendente (CaMKII). L'autofosforilazione è avviata dal flusso di Ca attraverso i recettori NMDA attivati da una forte attività sinaptica. La sua durata è determinata in ultima analisi dall'equilibrio tra i tassi di autofosforilazione e defosforilazione da parte della proteina fosfatasi 1 (PP1). In questo articolo abbiamo modellato l'autofosforilazione e la defosforilazione di CaMKII durante l'attività sinaptica in una sinapsi spinale utilizzando MCell4, un programma open source per la creazione di modelli stocastici basati su particelle e spazialmente realistici della microchimica cellulare. Il modello integra quattro precedenti modelli dettagliati di aspetti separati della regolazione dell'attività del Ca e della CaMKII nella spina, ognuno dei quali incorpora parametri biochimici misurati sperimentalmente ed è stato convalidato rispetto a dati sperimentali. Convalidiamo il modello composito dimostrando che predice accuratamente precedenti misurazioni sperimentali degli effetti dell'attivazione del recettore NMDA, tra cui l'elevata sensibilità dell'induzione di LTP all'attività fosfatasica e la persistenza dell'autofosforilazione per un periodo di minuti dopo la fine della stimolazione sinaptica. Utilizziamo quindi il modello per indagare aspetti del meccanismo di regolazione dell'autofosforilazione di CaMKII che sono difficili da misurare. Esaminiamo gli effetti del "CaM-trapping", un processo in cui l'affinità per Ca/CaM aumenta di diverse centinaia di volte dopo l'autofosforilazione. Scopriamo che il CaM-trapping non aumenta la proporzione di subunità autofosforilate negli oloenzimi dopo uno stimolo complesso, come precedentemente ipotizzato. Al contrario, il CaM-trapping può prolungare notevolmente la vita media della CaMKII autofosforilata attraverso l'ingombro sterico della defosforilazione da parte della proteina fosfatasi 1. I risultati forniscono motivazioni per la misurazione sperimentale dell'entità della soppressione della defosforilazione di CaMKII da parte di Ca/CaM legato. Il modello composito MCell4 degli effetti biochimici degli stimoli complessi nelle spine sinaptiche è un nuovo potente strumento per una dissezione realistica e dettagliata dei meccanismi della plasticità sinaptica.

Hur, M., Bartol, T., Rangamani, P., Sejnowski, T., Mjolsness, E. Morfodinamica della testa della spina sinaptica dalle regole grammaticali dei grafi per la dinamica dell'actina. (2025) Italiano:

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Esiste una componente morfodinamica nell'apprendimento sinaptico, per cui i cambiamenti nelle dimensioni della testa della spina dendritica (postsinaptica) sono associati al rafforzamento o all'indebolimento della connessione sinaptica tra due neuroni, in risposta alla correlazione temporale dei segnali presinaptici e postsinaptici locali. Questi fattori morfologici sono a loro volta plasmati dalla dinamica del citoscheletro di actina. In questo articolo, utilizziamo le Grammatiche Grafiche Dinamiche (DGG) implementate all'interno di un sistema di algebra computazionale per modellare come le reti di filamenti di actina possano crescere o restringersi dinamicamente, rimodellando la testa della spina. Le Grammatiche Grafiche Dinamiche (DGG) forniscono un modo ben definito per adattarsi a una struttura di sistema in continua evoluzione, come il citoscheletro attivo, rappresentato tramite grafi dinamici, nell'ambito della fisica statistica di non equilibrio sotto l'equazione master. Dimostriamo che i DGG possono anche incorporare forze biofisiche tra oggetti connessi tramite grafi a una scala temporale più fine, con regole cinetiche DGG specializzate che obbediscono ai vincoli biofisici di invarianza galileiana, conservazione della quantità di moto e dissipazione dell'energia globale conservata. Utilizziamo funzioni energetiche locali al grafo per reti di citoscheletro che interagiscono con le membrane e deriviamo le regole DGG dalla specializzazione della dinamica stocastica dissipativa - divisa in tipi di regole dissipative e di rumore termico - a una raccolta esaustiva e mutuamente esclusiva di tipi di vicinato locali al grafo per i lati sinistri delle regole. Le regole dissipative comprendono una versione stocastica della dinamica di discesa del gradiente. Le regole di rumore termico utilizzano un'approssimazione gaussiana di ciascuna coordinata di posizione per campionare spostamenti di tipo jitter. Per il modello di testa della spina dorsale abbiamo progettato e implementato sottomodelli matematici della grammatica DGG, tra cui la crescita della rete di actina, la meccanica statistica di non equilibrio e l'interazione meccanica filamento-membrana per regolare la riscrittura degli oggetti del grafo. Simuliamo la biofisica emergente di reti semplificate di polimeri di actina e le loro interazioni con le membrane. Da una prospettiva biologica, osserviamo gli effetti regolatori di tre proteine leganti l'actina (ABP) sulle dimensioni della membrana e troviamo prove a supporto dei meccanismi di crescita della membrana.

Rungratsameetaweemana, N., Kim, R., Chotibut, T., Sejnowski, TJ Il rumore casuale favorisce dinamiche sinaptiche eterogenee e lente, importanti per un calcolo affidabile della memoria di lavoro. (2025) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 122(3):e2316745122. DOI: 10.1073/pnas.2316745122

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Hirakis, SP, Bartol, TM, Autin, L., Amaro, RE, Sejnowski, TJ Rimodellamento cardiaco elettrofisico a livello molecolare: approfondimenti sull'attivazione del recettore della rianodina e sul rilascio di calcio indotto dal calcio da un modello stocastico di particelle esplicite. (2024) Giornale Biofisico. DOI: 10.1016/j.bpj.2024.09.029

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Presentiamo il primo modello stocastico completamente discreto della dinamica del calcio cardiaco attivato. Utilizzando geometrie di miociti cardiaci subcellulari anatomicamente accurate, simuliamo i fattori molecolari coinvolti nella gestione del calcio utilizzando metodi stocastici e a particelle esplicite ad alta risoluzione a livello di una singola giunzione diadica cardiaca. Integrando dati provenienti da più fonti sperimentali, il modello non solo replica i risultati dei tradizionali studi in silico e integra i dati sperimentali in vitro, ma rivela anche nuove informazioni sui meccanismi molecolari che guidano la disfunzione cardiaca in condizioni di stress e malattia. Miglioriamo i vecchi modelli non discreti che utilizzano la stessa geometria realistica, incorporando i meccanismi molecolari per il rilascio di calcio indotto dal calcio (CICR) spontaneo e attivato. I potenziali d'azione vengono utilizzati per attivare i canali del calcio di tipo L (LTCC), innescando il CICR attraverso i recettori della rianodina (RyR) sulla superficie del reticolo sarcoplasmatico. Questi miglioramenti consentono di concentrarsi specificamente sul couplon: la relazione struttura-funzione tra LTCC e RyR. Indaghiamo gli effetti elettrofisici dei potenziali d'azione normali e patologici sul CICR e analizziamo gli effetti della deformazione della giunzione diadica attraverso la detubulazione e l'orfanizzazione del RyR. Il nostro lavoro dimostra l'importanza dell'integrità elettrofisica della CRU sulla fedeltà del CICR, fornendo approfondimenti sulle basi molecolari delle cardiopatie. Infine, forniamo una visione molecolare unica e dettagliata del processo CICR utilizzando tecniche di rendering avanzate. Questo modello di facile utilizzo è completo di tutorial e di tutto il software necessario per l'uso e l'analisi, al fine di massimizzare l'usabilità e la riproducibilità. Il nostro lavoro si concentra sulla quantificazione, la qualificazione e la visualizzazione del comportamento delle specie molecolari che sono alla base della funzione e della disfunzione dei sistemi cardiomiocitari subcellulari.

Patel, D., Sejnowski, T., Siegelmann, H. Ottimizzazione dei costi di attenzione e controllo cognitivo mediante architetture a strati temporali. (2024) Calcolo neurale.:1-30 DOI: 10.1162/neco_a_01718

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Muller, L., Churchland, PS, Sejnowski, TJ Trasformatori e onde corticali: codificatori per l'inserimento del contesto nel tempo. (2024) Tendenze nelle neuroscienze. DOI: 10.1016/j.tins.2024.08.006

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Comstock, L., Carvalho, VR, Lainscsek, C., Fallah, A., Sejnowski, TJ La stimolazione magnetica transcranica facilita la decodifica neurale del linguaggio. (2024) Brain Sci. 14(9). DOI: 10.3390/brainsci14090895

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Carvalho, VR, Mendes, EMAM, Fallah, A., Sejnowski, TJ, Comstock, L., Lainscsek, C. Decodifica del discorso immaginato con analisi differenziale del ritardo. (2024) Frontiere della neuroscienza umana. 18:1398065. DOI: 10.3389/fnhum.2024.1398065

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Chen, Y., Zhang, H., Cameron, M., Sejnowski, T. Apprendimento predittivo delle sequenze nella formazione dell'ippocampo. (2024) Neuron. DOI: 10.1016 / j.neuron.2024.05.024

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Samavat, M., Bartol, TM, Harris, KM, Sejnowski, TJ Capacità di memorizzazione delle informazioni sinaptiche misurata con la teoria dell'informazione. (2024) Calcolo neurale. 36(5):781-802. DOI: 10.1162/neco_a_01659

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La variazione nella forza delle sinapsi può essere quantificata misurandone le proprietà anatomiche. Quantificare la precisione della plasticità sinaptica è fondamentale per comprendere l'immagazzinamento e il recupero delle informazioni nei circuiti neurali. Le sinapsi che si sviluppano dallo stesso assone sullo stesso dendrite hanno una storia comune di coattivazione, il che le rende candidate ideali per determinare la precisione della plasticità sinaptica in base alla somiglianza delle loro dimensioni fisiche. In questo caso, la precisione e la quantità di informazioni immagazzinate nelle dimensioni delle sinapsi sono state quantificate con la teoria dell'informazione di Shannon, ampliando un'analisi precedente che utilizzava la teoria della rilevazione del segnale (Bartol et al., 2015). I due metodi sono stati confrontati utilizzando i volumi delle teste delle spine dendritiche al centro dello strato radiato dell'area CA1 dell'ippocampo come misure ben definite della forza sinaptica. La teoria dell'informazione ha delineato il numero di forze sinaptiche distinguibili sulla base di intervalli non sovrapposti dei volumi delle teste delle spine dendritiche. L'entropia di Shannon è stata applicata per misurare la capacità di immagazzinamento delle informazioni sinaptiche (SISC), determinando un limite inferiore di 4.1 bit e un limite superiore di 4.59 bit di informazioni, basati su 24 dimensioni distinguibili. Abbiamo ulteriormente confrontato la distribuzione delle dimensioni distinguibili e una distribuzione uniforme utilizzando la divergenza di Kullback-Leibler, scoprendo che vi era una distribuzione pressoché uniforme dei volumi della testa delle spine tra le dimensioni, suggerendo un uso ottimale dei valori distinguibili. Pertanto, la SISC fornisce una nuova misura analitica che può essere generalizzata per sondare la forza sinaptica e la capacità di plasticità in diverse regioni cerebrali di diverse specie e tra animali allevati in condizioni diverse o durante l'apprendimento. È anche possibile indagare come le malattie e i disturbi cerebrali influenzino la precisione della plasticità sinaptica.

Husar, A., Ordyan, M., Garcia, GC, Yancey, JG, Saglam, AS, Faeder, JR, Bartol, TM, Kennedy, MB, Sejnowski, TJ MCell4 con BioNetGen: un simulatore Monte Carlo di sistemi di reazione-diffusione basati su regole con interfaccia Python. (2024) PLOS Biologia Computazionale. 20(4):e1011800. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011800

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Bartol, TM, Ordyan, M., Sejnowski, TJ, Rangamani, P., Kennedy, MB Un modello spaziale di autofosforilazione di CaMKII in una spina glutamatergica suggerisce un meccanismo cinetico guidato dalla rete per cambiamenti bistabili nella forza sinaptica. (2024) bioRxiv. DOI: 10.1101 / 2024.02.02.578696

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Sameni, S., Bartol, TM, Corey-Bloom, J., Sejnowski, TJ Le simulazioni al computer prevedono l'impatto dell'atrofia neuronale sulla dinamica del calcio nella malattia di Huntington. (2024) Nesso PNAS. 3(1):pgad443. DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad443

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Samavat, M., Bartol, TM, Bromer, C., Hubbard, DD, Hanka, DC, Kuwajima, M., Mendenhall, JM, Parker, PH, Bowden, JB, Abraham, WC, Sejnowski, TJ, Harris, KM Il potenziamento a lungo termine produce un'espansione sostenuta della capacità di immagazzinamento delle informazioni sinaptiche nell'ippocampo dei ratti adulti. (2024) bioRxiv. DOI: 10.1101 / 2024.01.12.574766

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La potenzializzazione a lungo termine (LTP) è diventata un modello standard per lo studio dei meccanismi sinaptici di apprendimento e memoria. È sempre più interessante comprendere come l'LTP influenzi la capacità di immagazzinamento delle informazioni sinaptiche della popolazione di sinapsi bersaglio. In questo studio, la plasticità sinaptica strutturale durante l'LTP è stata esplorata utilizzando la ricostruzione tridimensionale da microscopia elettronica a sezioni seriali. La capacità di immagazzinamento è stata valutata applicando un nuovo approccio analitico, la teoria dell'informazione di Shannon, per delineare il numero di intensità sinaptiche funzionalmente distinguibili. L'LTP è stata indotta dalla stimolazione delta-burst degli input della via perforante allo strato molecolare intermedio delle cellule granulari dentate dell'ippocampo in ratti adulti. I volumi della testa delle spine sono stati misurati come predittori dell'intensità sinaptica e confrontati tra LTP ed emisferi di controllo a 30 minuti e 2 ore dall'induzione dell'LTP. Sinapsi dallo stesso assone sullo stesso dendrite sono state utilizzate per determinare la precisione della plasticità sinaptica in base alla somiglianza delle loro dimensioni fisiche. L'entropia di Shannon è stata misurata sfruttando la frequenza delle teste delle spine in dimensioni funzionalmente distinguibili per valutare il grado in cui l'LTP ha alterato il numero di bit di memoria delle informazioni. I risultati di queste analisi rivelano che l'LTP ha ampliato la capacità di memoria; la distribuzione dei volumi delle teste delle spine è aumentata da 2 bit nei controlli a 3 bit a 30 minuti e a 2.7 bit a 2 ore dopo l'induzione dell'LTP. Inoltre, la distribuzione dei volumi delle teste delle spine è risultata più uniforme all'aumentare del numero di dimensioni funzionalmente distinguibili in seguito all'LTP, ottenendo così un uso più efficiente dello spazio di codifica nell'intera popolazione di sinapsi.

Lainscsek, C., Salami, P., Carvalho, VR, Mendes, EMAM, Fan, M., Cash, SS, Sejnowski, TJ Analisi differenziale del ritardo del motivo di rete dell'attività cerebrale durante le crisi epilettiche. (2023) Caos. 33(12). DOI: 10.1063/5.0165904

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Tsuda, B., Richmond, BJ, Sejnowski, TJ Esplorazione delle differenze strategiche tra esseri umani e scimmie con reti neurali ricorrenti. (2023) PLOS Biologia Computazionale. 19(11):e1011618. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011618

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I modelli animali vengono utilizzati per comprendere i principi della biologia umana. Nell'ambito delle neuroscienze cognitive, i primati non umani sono considerati il modello principale per lo studio dei comportamenti decisionali, in cui sono ancora possibili esperimenti di manipolazione diretta. Alcuni studi di rilievo hanno portato alla luce importanti discrepanze tra la cognizione delle scimmie e quella umana, evidenziando problemi di estrapolazione non verificata dalla scimmia all'uomo. In questo studio, utilizziamo un sistema modello parallelo, le reti neurali artificiali (RNA), per indagare una discrepanza consolidata identificata tra scimmie ed esseri umani in un compito di memoria di lavoro, in cui le scimmie sembrano utilizzare una strategia basata sulla recency, mentre gli esseri umani utilizzano una strategia selettiva del bersaglio. Abbiamo scoperto che le RNA addestrate sullo stesso compito mostrano una progressione del comportamento da un comportamento casuale (non addestrato) a un comportamento simile alla recency (parzialmente addestrato) e infine a un comportamento selettivo (ulteriormente addestrato), suggerendo che scimmie ed esseri umani potrebbero occupare punti diversi nella stessa progressione di apprendimento complessiva. Sorprendentemente, ciò che sembra essere un comportamento simile alla recency nella ANN è in realtà una proprietà emergente, non basata sulla recency, dell'organizzazione dello spazio di stato della rete neurale durante il suo sviluppo attraverso l'addestramento. Abbiamo scoperto che l'incoraggiamento esplicito del comportamento di recency durante l'addestramento ha un duplice effetto: non solo determina un comportamento simile alla recency accentuato, ma accelera anche il processo di apprendimento nel suo complesso, dando luogo a un meccanismo di modellamento efficiente per raggiungere la strategia ottimale. I nostri risultati suggeriscono una nuova spiegazione per la discrepanza osservata tra scimmie ed esseri umani e rivelano che quella che può sembrare una strategia basata sulla recency in alcuni casi potrebbe non esserlo affatto.

Lainscsek, C., Mendes, EMAM, Salgado, GHO, Sejnowski, TJ Trasformazioni che preservano l'unicità della forma differenziale per sistemi di tipo Lorenz. (2023) Caos. 33(10). DOI: 10.1063/5.0156237

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Garcia, GC, Gupta, K., Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Rangamani, P. La morfologia mitocondriale regola la velocità di produzione di ATP. (2023) J Gen Physiol. 155(9). DOI: 10.1085/jgp.202213263

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Li, JS, Sarma, AA, Sejnowski, TJ, Doyle, JC Il feedback interno nel ciclo percezione-azione corticale consente un comportamento rapido e preciso. (2023) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 120(39):e2300445120. DOI: 10.1073/pnas.2300445120

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Gli animali si muovono in modo fluido e affidabile in ambienti imprevedibili. I modelli di controllo sensomotorio, basati sulla teoria del controllo, hanno ipotizzato che le informazioni sensoriali provenienti dall'ambiente conducano ad azioni, che a loro volta agiscono sull'ambiente, creando un unico ciclo unidirezionale percezione-azione. Tuttavia, il ciclo sensomotorio contiene ritardi interni nei percorsi sensoriali e motori, che possono portare a un controllo instabile. In questo articolo mostriamo che questi ritardi possono essere compensati da segnali di feedback interni che fluiscono a ritroso, dalle aree motorie verso quelle sensoriali. Questo feedback interno è onnipresente nei sistemi neurosensomotori e mostriamo come il feedback interno compensi i ritardi interni. Ciò si ottiene filtrando i cambiamenti autogenerati e altri cambiamenti prevedibili, in modo che le informazioni impreviste e attuabili possano essere rapidamente trasmesse verso l'azione dai componenti più veloci, comprimendo efficacemente l'input sensoriale per utilizzare in modo più efficiente i percorsi feedforward: tratti di neuroni giganti e veloci trasmettono necessariamente segnali meno accurati rispetto a tratti con molti neuroni più piccoli, ma sono cruciali per un comportamento rapido e accurato. Utilizziamo un modello di controllo matematicamente trattabile per dimostrare che il feedback interno ha un ruolo indispensabile nel raggiungimento della stima dello stato, della localizzazione della funzione (come diverse parti della corteccia controllano diverse parti del corpo) e dell'attenzione, tutti fattori cruciali per un efficace controllo sensomotorio. Questo modello di controllo può spiegare osservazioni anatomiche, fisiologiche e comportamentali, inclusi i segnali motori nella corteccia visiva, la cinetica eterogenea dei recettori sensoriali e la presenza di cellule giganti nella corteccia degli esseri umani, nonché i modelli di feedback interno e l'eterogeneità inspiegata nei sistemi neurali.

Zador, A., Escola, S., Richards, B., Ölveczky, B., Bengio, Y., Boahen, K., Botvinick, M., Chklovskii, D., Churchland, A., Clopath, C., DiCarlo, J., Ganguli, S., Hawkins, J., Körding, K., Koulakov, A., LeCun, Y., Lillicrap, T., Marblestone, A., Olshausen, B., Pouget, A., Savin, C., Sejnowski, T., Simoncelli, E., Solla, S., Sussillo, D., Tolias, AS, Tsao, D. Catalizzare l'intelligenza artificiale di prossima generazione attraverso la NeuroAI. (2023) Nature Communications. 14(1):1597. DOI: 10.1038/s41467-023-37180-x

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Sejnowski, TJ Modelli linguistici di grandi dimensioni e test di Turing inverso. (2023) Calcolo neurale.:1-34 DOI: 10.1162/neco_a_01563

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Bermperidis, T., Schafer, S., Gage, FH, Sejnowski, T., Torres, EB L'interrogazione dinamica delle traiettorie stocastiche del trascrittoma utilizzando geni associati alle malattie rivela origini distinte dei disturbi neurologici e psichiatrici. (2023) Frontiere delle neuroscienze. 16:884707. DOI: 10.3389/fnins.2022.884707

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L'avvento dell'accesso aperto ai dati genomici offre nuove opportunità per rivisitare vecchi dibattiti clinici, affrontandoli da una prospettiva diversa. Esaminiamo nuovamente la questione se i disturbi psichiatrici e neurologici siano diversi tra loro, valutando il pool di geni associati a disturbi definiti psichiatrici o neurologici. Lo facciamo nel contesto dei dati del trascrittoma monitorati durante il differenziamento delle cellule staminali embrionali umane e la loro trasformazione in neuroni. Basandoci su livelli probabilistici di complessità crescente, descriviamo le dinamiche e le traiettorie stocastiche dell'intero trascrittoma e dei geni incorporati associati a disturbi psichiatrici e/o neurologici. Dalle distribuzioni marginali dell'espressione di un gene su centinaia di cellule, alle interazioni congiunte prese a livello globale per determinare il grado di dipendenza a coppie, alle reti derivate da grafi probabilistici lungo alberi di copertura massimali, abbiamo scoperto due classi di geni fondamentalmente diverse alla base di questi disturbi e che li differenziano. Una classe di geni vanta una maggiore variabilità di espressione e minori dipendenze (geni ad alta variabilità di espressione - HEV); l'altro ha una variabilità inferiore e dipendenze più elevate (geni a bassa variabilità di espressione - LEV). Danno origine a diverse architetture di rete e diversi stati di transizione. I geni HEV hanno grandi hub e una topologia fragile, mentre i geni LEV mostrano un codice più distribuito durante la maturazione verso lo stato neuronale. I geni LEV favoriscono la differenziazione tra disturbi psichiatrici e neurologici anche a livello tissutale, attraverso il cervello, il midollo spinale e le ghiandole. Questi geni, con la loro bassa variabilità e gli stati ON/OFF asincroni, che sono stati trattati come dati grossolani ed esclusi dalle analisi tradizionali, ci stanno aiutando a risolvere questo vecchio argomento a più livelli di indagine.

Rungratsameetaweemana, N., Lainscsek, C., Cash, SS, Garcia, JO, Sejnowski, TJ, Bansal, K. Le dinamiche delle reti cerebrali codificano l'eterogeneità nell'evoluzione delle crisi epilettiche. (2022) Cervello comune. 4(5):fcac234. DOI: 10.1093/braincomms/fcac234

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La connettività cerebrale funzionale dinamica facilita la cognizione e il comportamento adattivi. Alterazioni anomale all'interno di tale connettività potrebbero causare alterazioni funzionali osservate in diverse condizioni neurologiche. Essendo uno dei disturbi neurologici più comuni, l'epilessia è caratterizzata dalla comparsa apparentemente casuale di crisi spontanee. Una questione centrale ma irrisolta riguarda i meccanismi attraverso i quali emergono dinamiche di propagazione delle crisi straordinariamente diverse. In questo studio, abbiamo applicato un approccio basato sulla teoria dei grafi per valutare le riconfigurazioni dinamiche nella connettività cerebrale funzionale prima, durante e dopo le crisi che mostrano modelli di propagazione eterogenei pur condividendo un inizio corticale simile. Abbiamo calcolato reti di connettività cerebrale funzionale variabili nel tempo da registrazioni intracraniche umane di 67 crisi (in 14 pazienti) che avevano un'origine focale: 49 di queste crisi focali sono rimaste focali e 18 hanno subito una diffusione bilaterale (crisi tonico-cloniche da focali a bilaterali). Abbiamo utilizzato reti di connettività funzionale stimate dai periodi interictali nei pazienti come controllo. I nostri risultati caratterizzano le caratteristiche della rete che quantificano le dinamiche funzionali sottostanti associate all'eterogeneità osservata nella propagazione delle crisi in questi due tipi di crisi focali. La decodifica di queste caratteristiche della rete dimostra che la propagazione bilaterale dell'attività epilettica è il risultato dello squilibrio tra integrazione globale e segregazione nel cervello prima dell'insorgenza della crisi. Dimostriamo che esistono firme intrinseche della rete prima dell'insorgenza della crisi, associate alla misura in cui una crisi imminente si propagherà in tutto il cervello (ovvero, rimanendo all'interno di un emisfero rispetto a diffondersi transcallosamente). Inoltre, queste caratteristiche caratterizzano un aumento della segregazione e una diminuzione dell'eccitabilità all'interno della rete cerebrale (ovvero, elevata modularità e basso raggio spettrale). È importante sottolineare che differenze specifiche per tipo di crisi in queste caratteristiche emergono diversi minuti prima dell'insorgenza della crisi, suggerendo la potenziale utilità di tali misure nelle strategie di intervento. Infine, i nostri risultati rivelano caratteristiche della rete all'insorgenza che sono uniche per i meccanismi di propagazione dei due sottotipi di crisi focali più comuni, indicative di distinti processi di riconfigurazione che possono favorire la conclusione di ciascun tipo di crisi. Nel complesso, i nostri risultati forniscono spunti di riflessione sulla relazione tra l'evoluzione temporale dell'attività epilettica e le dinamiche di connettività funzionale sottostanti. Questi risultati aprono interessanti prospettive in cui le misure basate sulla teoria dei grafi potrebbero potenzialmente guidare interventi clinici personalizzati per l'epilessia e altri disturbi neurologici in cui si osserva un'ampia eterogeneità tra i sottotipi, nonché tra i singoli pazienti e all'interno di essi.

Chen, Y., Rosen, BQ, Sejnowski, TJ La covarianza differenziale dinamica recupera la struttura direzionale della rete nei sistemi neurali multiscala. (2022) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 119(24):e2117234119. DOI: 10.1073/pnas.2117234119

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Grün, S., Li, J., McNaughton, B., Petersen, C., McCormick, D., Robson, D., Buzsáki, G., Harris, K., Sejnowski, T., Mrsic-Flogel, T., Lindén, H., Roland, PE Principi emergenti dello spaziotempo nel cervello: resoconto di un convegno sulla neurodinamica spaziale. (2022) Neuron. 110(12):1894-1898. DOI: 10.1016/j.neuron.2022.05.018

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Chen, Y., Bukhari, Q., Lin, TW, Sejnowski, TJ La connettività funzionale della fMRI mediante covarianza differenziale prevede la connettività strutturale e i tempi di reazione comportamentale. (2022) Neuroscienze di rete. 6(2):614-633. DOI: 10.1162/netn_a_00239

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Garcia, JW, Bartol, TM, Sejnowski, TJ Modellazione multiscala della dinamica presinaptica dalla scala molecolare alla mesoscala. (2022) PLOS Biologia Computazionale. 18(5):e1010068. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1010068

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Le sinapsi chimiche presentano una vasta gamma di meccanismi interni che influenzano le dinamiche dell'efficacia della trasmissione. Molti di questi processi, come il rilascio di neurotrasmettitori e il riciclo delle vescicole, dipendono fortemente dall'afflusso e dall'accumulo di Ca2+ dipendenti dall'attività. Per modellare come ciascuno di questi processi possa influenzare l'elaborazione delle informazioni nei circuiti neurali e come la loro disfunzione possa portare a stati patologici, è necessario un framework di modellazione computazionalmente efficiente, in grado di generare una fenomenologia accurata senza incorrere in un elevato costo computazionale per sinapsi. La costruzione di un modello fenomenologicamente realistico richiede la caratterizzazione precisa dei tempi e della probabilità di rilascio del neurotrasmettitore. Le difficoltà sorgono in quanto le forme funzionali del tasso di rilascio istantaneo possono essere difficili da estrarre da dati rumorosi senza eseguire migliaia di prove e, nelle sinapsi biofisiche, la facilitazione della probabilità di rilascio per vescicola è influenzata dalla deplezione. Per superare questo problema, abbiamo ottenuto tracce di concentrazione di Ca2+ libero in risposta a vari treni di stimoli di potenziale d'azione da un modello molecolare MCell di un assone collaterale di Schaffer dell'ippocampo. I sensori del Ca2+ sono stati posizionati a distanze variabili da un cluster di canali del calcio voltaggio-dipendenti (VDCC) e il Ca2+ è stato tamponato dalla calbindina. Quindi, utilizzando le tracce di calcio per guidare modelli deterministici di vettori di stato della sinaptotagmina 1 e 7 (Syt-1/7), che mediano rispettivamente il rilascio sincrono e asincrono nelle sinapsi ippocampali eccitatorie, abbiamo ottenuto profili ad alta risoluzione della velocità di rilascio istantaneo, a cui abbiamo applicato adattamenti funzionali. Il rilascio sincrono delle vescicole si è verificato prevalentemente entro mezzo micron dalla fonte di afflusso di Ca2+ evocato da spike, mentre il rilascio asincrono si è verificato in modo più costante a tutte le distanze. Sia i meccanismi rapidi che quelli lenti hanno mostrato curve di velocità di rilascio multi-esponenziali, le cui grandezze sono diminuite esponenzialmente con la distanza dalla fonte di Ca2+. I parametri del profilo facilitano su diverse scale temporali secondo un'unica funzione di facilitazione generale. Queste descrizioni funzionali gettano le basi per un'efficiente modellazione mesoscalare della dinamica del rilascio vescicolare.

Li, J., Pinto-Duarte, A., Zander, M., Cuoco, MS, Lai, CY, Osteen, J., Fang, L., Luo, C., Lucero, JD, Gomez-Castanon, R., Nery, JR, Silva-Garcia, I., Pang, Y., Sejnowski, TJ, Powell, SB, Ecker, JR, Mukamel, EA, Behrens, MM L'eliminazione di Dnmt3a nei neuroni eccitatori compromette la maturazione delle sinapsi postnatali e aumenta la modificazione repressiva dell'istone H3K27me3. (2022) Evita. 11. DOI: 10.7554/eLife.66909

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Zhang, Z., Cisneros, E., Lee, HY, Vu, JP, Chen, Q., Benadof, CN, Whitehill, J., Rouzbehani, R., Sy, DT, Huang, JS, Sejnowski, TJ, Jankovic, J., Factor, S., Goetz, CG, Barbano, RL, Perlmutter, JS, Jinnah, HA, Berman, BD, Richardson, SP, Stebbins, GT, Comella, CL, Peterson, DA Mantieni quella posizione: cattura dal video la gravità della deviazione della testa causata dalla distonia cervicale. (2022) Ann Clin Transl Neurol. DOI: 10.1002/acn3.51549

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Budzinski, RC, Nguyen, TT, Đoàn, J., Mináč, J., Sejnowski, TJ, Muller, LE La geometria unisce sincronia, chimere e onde in reti di oscillatori non lineari. (2022) Caos. 32(3):031104. DOI: 10.1063/5.0078791

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Wagner, M., Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Cauwenberghs, G. Astrazioni della catena di Markov della reazione-diffusione elettrochimica nella trasmissione sinaptica per il calcolo neuromorfico. (2021) Frontiere delle neuroscienze. 15:698635. DOI: 10.3389/fnins.2021.698635

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Mendelsohn, R., Garcia, GC, Bartol, TM, Lee, CT, Khandelwal, P., Liu, E., Spencer, DJ, Husar, A., Bushong, EA, Phan, S., Perkins, G., Ellisman, MH, Skupin, A., Sejnowski, TJ, Rangamani, P. Principi morfologici dei mitocondri neuronali. (2021) Journal of Comparative Neurology. DOI: 10.1002/cne.25254

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Davis, ZW, Benigno, GB, Fletterman, C., Desbordes, T., Steward, C., Sejnowski, TJ, Reynolds, JH, Muller, L. Le onde spontanee che viaggiano emergono naturalmente dai ritardi temporali delle fibre orizzontali e viaggiano attraverso stati localmente asincroni-irregolari. (2021) Nature Communications. 12(1):6057. DOI: 10.1038/s41467-021-26175-1

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Li, Y., Kim, R., Sejnowski, TJ Apprendimento delle dinamiche sinaptiche e intrinseche della membrana alla base della memoria di lavoro nei modelli di reti neurali spiking. (2021) Calcolo neurale.:1-24 DOI: 10.1162/neco_a_01409

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Lainscsek, C., Cash, SS, Sejnowski, TJ, Kurths, J. L'ergodicità dinamica DDA rivela la struttura causale nelle serie temporali. (2021) Caos. 31(10):103108. DOI: 10.1063/5.0063724

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Hayes, TL, Krishnan, GP, Bazhenov, M., Siegelmann, HT, Sejnowski, TJ, Kanan, C. Replay nell'apprendimento profondo: approcci attuali ed elementi biologici mancanti. (2021) Calcolo neurale.:1-44 DOI: 10.1162/neco_a_01433

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Nakahira, Y., Liu, Q., Sejnowski, TJ, Doyle, JC Punti ottimali abilitati dalla diversità nelle architetture a strati e compromessi tra velocità e precisione nel controllo sensomotorio. (2021) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 118(22). DOI: 10.1073/pnas.1916367118

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Compans, B., Camus, C., Kallergi, E., Sposini, S., Martineau, M., Butler, C., Kechkar, A., Klaassen, RV, Retailleau, N., Sejnowski, TJ, Smit, AB, Sibarita, JB, Bartol, TM, Perrais, D., Nikoletopoulou, V., Choquet, D., Hosy, E. La depressione a lungo termine dipendente da NMDAR è associata a un aumento della plasticità a breve termine attraverso la perdita di PSD-95 mediata dall'autofagia. (2021) Nature Communications. 12(1):2849. DOI: 10.1038/s41467-021-23133-9

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Singh, N., Bartol, T., Levine, H., Sejnowski, T., Nadkarni, S. Il reticolo endoplasmatico presinaptico regola la plasticità a breve termine nelle sinapsi dell'ippocampo. (2021) Biologia delle comunicazioni. 4(1):241. DOI: 10.1038/s42003-021-01761-7

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Trujillo, CA, Adams, JW, Negraes, PD, Carromeu, C., Tejwani, L., Acab, A., Tsuda, B., Thomas, CA, Sodhi, N., Fichter, KM, Romero, S., Zanella, F., Sejnowski, TJ, Ulrich, H., Muotri, AR Inversione farmacologica della patologia sinaptica e di rete nei neuroni MECP2-KO umani e negli organoidi corticali. (2021) Medicina molecolare EMBO. 13(1):e12523. DOI: 10.15252/emmm.202012523

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Kim, R., Sejnowski, TJ Una forte segnalazione inibitoria è alla base della stabilità delle dinamiche temporali e della memoria di lavoro nelle reti neurali spiking. (2020) Nature Neuroscience. DOI: 10.1038/s41593-020-00753-w

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Tsuda, B., Tye, KM, Siegelmann, HT, Sejnowski, TJ Un quadro di modellazione per l'apprendimento permanente adattivo con trasferimento e risparmio tramite gating nella corteccia prefrontale. (2020) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.2009591117

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Davis, W., Muller, L., Martinez-Trujillo, J., Sejnowski, T., Reynolds, JH Le onde corticali spontanee che viaggiano influenzano la percezione nei primati comportamentali (2020) Natura. DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2802-y.

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Sejnowski, T. Charles Gross: Mentore, Maestro, Mensch. (2020) Progresso in Neurobiologia.:101926 DOI: 10.1016/j.pneurobio.2020.101926

Gonzalez, CE, Lainscsek, C., Sejnowski, TJ, Letellier, C. Valutazione dell'osservabilità dei sistemi caotici mediante l'analisi differenziale ritardata. (2020) Caos. 30(10):103113. DOI: 10.1063/5.0015533

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Sobczak, F., Lui, Y., Sejnowski, TJ, Yu, X. Previsione della fluttuazione del segnale fMRI con reti neurali ricorrenti addestrate sulla dinamica della rete vascolare. (2020) Corteccia cerebrale. DOI: 10.1093/cercor/bhaa260

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Abbott, LF, Bock, DD, Callaway, EM, Denk, W., Dulac, C., Fairhall, AL, Fiete, I., Harris, KM, Helmstaedter, M., Jain, V., Kasthuri, N., LeCun, Y., Lichtman, JW, Littlewood, PB, Luo, L., Maunsell, JHR, Reid, RC, Rosen, BR, Rubin, GM, Sejnowski, TJ, Seung, HS, Svoboda, K., Tank, DW, Tsao, D., Van Essen, DC La mente di un topo. (2020) Cellula. 182(6):1372-1376. DOI: 10.1016/j.cell.2020.08.010

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Lin, TW, Chen, Y., Bukhari, Q., Krishnan, GP, Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Covarianza differenziale: un nuovo metodo per stimare la connettività funzionale nella risonanza magnetica funzionale. (2020) Calcolo neurale.:1-33 DOI: 10.1162/neco_a_01323

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Ordyan, M., Bartol, T., Kennedy, M., Rangamani, P., Sejnowski, T. Le interazioni tra calmodulina e neurogranina regolano la dinamica di CaMKII come integratore permeabile. (2020) PLOS Biologia Computazionale. 16(7):e1008015. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1008015

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È noto da tempo che la chinasi II calmodulina-dipendente (CaMKII) svolge un ruolo importante nell'apprendimento e nella memoria, nonché nella potenzializzazione a lungo termine (LTP). Più recentemente, è stato suggerito che potrebbe essere coinvolta nella media temporale dei segnali sinaptici, che può quindi portare all'elevata precisione delle informazioni memorizzate in una singola sinapsi. Tuttavia, il ruolo della molecola di supporto, la neurogranina (Ng), nel governare la dinamica di CaMKII non è ancora completamente compreso. In questo lavoro, adottiamo un approccio di modellazione basato su regole attraverso il metodo Monte Carlo per studiare l'effetto dei segnali di Ca2+ sulla dinamica della fosforilazione di CaMKII nella densità postsinaptica (PSD). Si osservano picchi di calcio nelle spine sinaptiche durante un EPSP e un potenziale d'azione retropropagante dovuti all'apertura dei recettori NMDA e dei canali del calcio voltaggio-dipendenti. Utilizzando modelli basati su agenti, indaghiamo computazionalmente la dinamica della fosforilazione dei monomeri di CaMKII e degli oloenzimi dodecamerica. La molecola di supporto, Ng, quando presente in concentrazioni significative, limita la disponibilità di calmodulina libera (CaM), la proteina che attiva CaMKII in presenza di calcio. Dimostriamo che Ng svolge un importante ruolo modulatorio nella fosforilazione di CaMKII in seguito a un picco di elevata concentrazione di calcio. Troviamo una dipendenza non intuitiva di questo effetto dalla concentrazione di CaM, che deriva dalle diverse affinità di CaM per CaMKII a seconda del numero di ioni calcio legati alla prima. È stato precedentemente dimostrato che in assenza di fosfatasi, i monomeri di CaMKII si integrano sui segnali di Ca2+ di determinate frequenze attraverso l'autofosforilazione (Pepke et al, Plos Comp. Bio., 2010). Studiamo anche l'effetto di molteplici picchi di calcio sull'autofosforilazione dell'oloenzima CaMKII e dimostriamo che, in presenza di fosfatasi, CaMKII si comporta come un integratore permeabile dei segnali del calcio, un risultato recentemente osservato in vivo. I nostri modelli prevedono che i parametri di questo integratore permeabile siano finemente regolati attraverso le interazioni di Ng, CaM, CaMKII e PP1, fornendo un meccanismo per controllare con precisione la sensibilità delle sinapsi ai segnali del calcio. Riassunto degli autori non valido per l'invio a PLOS ONE.

Goncalves, J., Bartol, TM, Camus, C., Levet, F., Menegolla, AP, Sejnowski, TJ, Sibarita, JB, Vivaudou, M., Choquet, D., Hosy, E. Co-organizzazione e co-attivazione su scala nanometrica di AMPAR, NMDAR e mGluR nelle sinapsi eccitatorie. (2020) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1922563117

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Filimon, F., Nelson, JD, Sejnowski, TJ, Sereno, MI, Cottrell, GW Lo striato ventrale separa l'aspettativa di informazioni, l'anticipazione di una ricompensa e la ricezione di una ricompensa. (2020) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1911778117

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DAS, A., Contanti, SS, Sejnowski, TJ Eterogeneità delle dinamiche preictali nelle crisi epilettiche umane. (2020) Accesso IEEE. 8:52738-52748. DOI: 10.1109/access.2020.2981017

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È generalmente noto che esista una fase preictale nello sviluppo di una crisi epilettica e che questo periodo preictale sia la base per i tentativi di previsione delle crisi. L'obiettivo di questo studio è la dinamica spaziotemporale globale preictale e la sua variabilità intra-paziente. Abbiamo analizzato la connettività cerebrale a banda larga preictale dalle registrazioni elettrocorticografiche umane (ECoG) di 185 crisi epilettiche (che includevano 116 crisi cliniche) raccolte da 12 pazienti. Gli elettrodi ECoG registrano solo da una parte della corteccia, lasciando ampie regioni del cervello non osservate. La connettività cerebrale è stata quindi stimata utilizzando il metodo della matrice di precisione sparsa più latente regolarizzata (SLRPM), che calcola la connettività a partire da correlazioni parziali delle statistiche condizionali delle regioni osservate, date le regioni latenti non osservate. La connettività cerebrale è stata quantificata utilizzando la centralità degli autovettori (EC), da cui è stato calcolato un grado di eterogeneità per i periodi preictali di tutte le crisi in ciascun paziente. I risultati del metodo SLRPM vengono confrontati con quelli della matrice di precisione sparsa-regolarizzata (SRPM) e dei metodi di correlazione, che non tengono conto degli input non osservati nella stima della connettività cerebrale. Il grado di eterogeneità stimato dal metodo SLRPM è superiore a quello stimato dai metodi SRPM e di correlazione per i periodi preictali nella maggior parte dei pazienti. Questi risultati rivelano una sostanziale eterogeneità o desincronizzazione tra le aree cerebrali nel periodo preictale delle crisi epilettiche umane. Inoltre, il metodo SLRPM identifica più canali di insorgenza dagli elettrodi attivi preictali rispetto ai metodi SRPM e di correlazione. Infine, la correlazione tra il grado di eterogeneità e la gravità delle crisi dei pazienti per i metodi SLRPM e SRPM è risultata inferiore a quella ottenuta con il metodo di correlazione. Questi risultati supportano recenti scoperte che suggeriscono che i neuroni inibitori possono avere effetti anti-crisi inducendo variabilità o eterogeneità tra le crisi. Comprendere in che modo questa variabilità è collegata all'inizio delle crisi epilettiche può portare a previsioni migliori e a terapie di controllo.

Sejnowski, TJ L'irragionevole efficacia del deep learning nell'intelligenza artificiale. (2020) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1907373117

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Garcia, GC, Bartol, TM, Phan, S., Bushong, EA, Perkins, G., Sejnowski, TJ, Ellisman, MH, Skupin, A. La morfologia mitocondriale fornisce un meccanismo per il buffering energetico nelle sinapsi. (2019) Relazioni scientifiche. 9(1):18306. DOI: 10.1038/s41598-019-54159-1

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Jullié, D., Stoeber, M., Sibarita, JB, Zieger, HL, Bartol, TM, Arttamangkul, S., Sejnowski, TJ, Hosy, E., von Zastrow, M. Un ciclo discreto di vescicole presinaptiche per i recettori neuromodulatori. (2019) Neuron. DOI: 10.1016 / j.neuron.2019.11.016

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Pharris, MC, Patel, NM, VanDyk, TG, Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Kennedy, MB, Stefan, MI, Kinzer-Ursem, TL Un modello multistato del dodecamero CaMKII suggerisce un ruolo della calmodulina nel mantenimento dell'autofosforilazione. (2019) PLOS Biologia Computazionale. 15(12):e1006941. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006941

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La proteina chinasi II Ca2+/calmodulina-dipendente (CaMKII) rappresenta fino al 2% di tutte le proteine cerebrali ed è essenziale per la funzione mnemonica. È noto che l'attività di CaMKII regola i cambiamenti dinamici nelle dimensioni e nell'intensità del segnale delle connessioni neuronali, un processo noto come plasticità sinaptica. Sempre più spesso, i modelli computazionali vengono utilizzati per esplorare la plasticità sinaptica e i meccanismi che regolano l'attività di CaMKII. Gli approcci di modellazione convenzionali possono escludere i dettagli biofisici a causa del numero poco pratico di combinazioni di stato che si verificano quando si monitorano esplicitamente i cambiamenti conformazionali, il legame del ligando e gli eventi di fosforilazione che si verificano su ciascuna delle subunità dell'oloenzima CaMKII. Per gestire l'esplosione combinatoria senza dover ricorrere a distorsioni o perdite di accuratezza biologica, utilizziamo una sintassi specializzata nel software MCell per creare un modello basato su regole di un oloenzima CaMKII a dodici subunità. In questo articolo convalidiamo il modello basato su regole confrontandolo con precedenti misure sperimentali dell'attività di CaMKII e indaghiamo i meccanismi molecolari della regolazione di CaMKII. In particolare, esploriamo come il legame Ca2+/CaM possa stabilizzare l'attivazione della subunità CaMKII e regolare il mantenimento dell'autofosforilazione di CaMKII. Notando che Ca2+/CaM e le proteine fosfatasi legano CaMKII in siti vicini o sovrapposti, confrontiamo scenari modello in cui Ca2+/CaM e proteine fosfatasi escludono o meno strutturalmente il legame a CaMKII. I nostri risultati suggeriscono un meccanismo funzionale per il cosiddetto fenomeno di "intrappolamento di CaM", in cui Ca2+/CaM può escludere strutturalmente il legame della fosfatasi e quindi prolungare l'autofosforilazione di CaMKII. Concludiamo che la protezione strutturale di CaMKII autofosforilata da parte di Ca2+/CaM potrebbe essere un meccanismo importante per la regolazione della plasticità sinaptica.

Lainscsek, C., Rungratsameetaweemana, N., Cash, SS, Sejnowski, TJ Gli stati di chimera corticale predicono le crisi epilettiche. (2019) Caos. 29(12):121106. DOI: 10.1063/1.5139654

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Ruiz-Martínez, , Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Tartakovskij, DM Algoritmo ibrido autoregolante stocastico per sistemi di reazione-diffusione. (2019) Rivista di fisica chimica. 151(24):244117. DOI: 10.1063/1.5125022

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Siddharth, S., Jung, TP, Sejnowski, TJ Impatto dei contenuti multimediali affettivi sull'elettroencefalogramma e sulle espressioni facciali. (2019) Relazioni scientifiche. 9(1):16295. DOI: 10.1038/s41598-019-52891-2

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De la Fuente, IM, Bringas, C., Malaina, I., Regner, B., Pérez-Samartín, A., Boyano, MD, Fedetz, M., López, JI, Pérez-Yarza, G., Cortes, JM, Sejnowski, T. Il nucleo non influenza in modo significativo le traiettorie migratorie dell'ameba in ambienti bidimensionali. (2019) Relazioni scientifiche. 9(1):16369. DOI: 10.1038/s41598-019-52716-2

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Litvina, E., Adams, A., Barth, A., Bruchez, M., Carson, J., Chung, JE, Dupre, KB, Frank, LM, Gates, KM, Harris, KM, Joo, H., William Lichtman, J., Ramos, KM, Sejnowski, T., Trimmer, JS, White, S., Koroshetz, W. Iniziativa BRAIN: strumenti e risorse all'avanguardia per la comunità. (2019) Journal of Neuroscience. 39(42):8275-8284. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1169-19.2019

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L'obiettivo generale dell'iniziativa NIH BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) è quello di promuovere la comprensione del funzionamento dei circuiti cerebrali sani e patologici attraverso l'innovazione tecnologica. I principi fondamentali per raggiungere questo obiettivo includono la convalida e la diffusione della miriade di tecnologie, strumenti, metodi e risorse innovativi che emergono dalla ricerca finanziata da BRAIN. Innovatori, agenzie di finanziamento BRAIN e partner non federali stanno collaborando per sviluppare strategie volte a rendere questi prodotti utilizzabili, disponibili e accessibili alla comunità scientifica. Qui descriviamo diverse strategie iniziali per supportare la diffusione delle tecnologie BRAIN. Il nostro obiettivo è quello di stimolare il dialogo con la comunità di ricerca e finanziamento delle neuroscienze, i collaboratori interdisciplinari e i tirocinanti sulle opportunità esistenti e future per trasformare prodotti di ricerca innovativi in sistemi di ricerca maturi, integrati e adattabili. Insieme al Mini-Simposio della Society for Neuroscience 2019, "BRAIN Initiative: Strumenti e Risorse all'Avanguardia per la Comunità", mettiamo in luce il lavoro di diversi team di ricercatori BRAIN che stanno compiendo progressi nella fornitura di strumenti, tecnologie e servizi per la comunità delle neuroscienze. Questi strumenti accedono ai circuiti neurali a più livelli di analisi, dalla composizione subcellulare alla connettività di rete a livello cerebrale, tra cui: sistemi integrati per la connettomica basata su elettroni e fluorescenza, progressi nelle capacità di immunomarcatura e risorse per la registrazione e l'analisi della connettività funzionale. I ricercatori descrivono come le risorse che forniscono alla comunità contribuiranno al raggiungimento degli obiettivi dell'Iniziativa BRAIN del NIH. Infine, oltre a celebrare il contributo di questi ricercatori finanziati da BRAIN, il Mini-Simposio illustrerà la più ampia diversità degli investimenti dell'Iniziativa BRAIN in tecnologie e risorse all'avanguardia.

Kim, R., Li, Y., Sejnowski, TJ Semplice framework per la costruzione di reti neurali ricorrenti a picchi funzionali. (2019) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1905926116

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Lainscsek, C., Gonzalez, CE, Sampson, AL, Cash, SS, Sejnowski, TJ Rilevamento della causalità nella dinamica delle crisi corticali mediante analisi differenziale del ritardo cross-dinamico. (2019) Caos. 29(10):101103. DOI: 10.1063/1.5126125

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Cugno, A., Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Iyengar, R., Rangamani, P. Principi geometrici della dinamica del secondo messaggero nelle spine dendritiche. (2019) Relazioni scientifiche. 9(1):11676. DOI: 10.1038/s41598-019-48028-0

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Wang, HP, Garcia, JW, Sabottke, CF, Spencer, D., Sejnowski, TJ La connettività talamocorticale feedforward preserva le informazioni sulla tempistica dello stimolo nei percorsi sensoriali. (2019) Journal of Neuroscience. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3165-17.2019

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L'affidabilità temporale degli impulsi corticali in risposta agli eventi visivi è fondamentale per la rappresentazione degli input visivi al cervello. Gli impulsi nella corteccia visiva primaria devono verificarsi contemporaneamente all'interno di uno stimolo visivo ripetuto. La corteccia impiega due meccanismi classici per migliorare l'affidabilità temporale. In primo luogo, i neuroni corticali rispondono in modo affidabile a un insieme ristretto di stimoli attraverso la loro preferenza per determinati pattern di potenziale di membrana dovuti alle loro proprietà intrinseche. In secondo luogo, la rete intracorticale di neuroni eccitatori e inibitori induce un'inibizione laterale che, attraverso la temporizzazione e l'intensità di IPSC ed EPSC, produce treni di impulsi corticali radi e sincronizzati in modo affidabile da trasmettere a valle. Qui descriviamo un terzo meccanismo che, attraverso la connettività sinaptica talamo-corticale preferenziale, migliora la precisione temporale degli impulsi corticali da prova a prova in presenza di variabilità del treno di impulsi all'interno di ogni prova introdotta tra i neuroni del nucleo genicolato laterale (LGN) nella via retino-talamica. Applicando treni di impulsi LGN registrati sperimentalmente dal gatto anestetizzato a un modello dettagliato di un neurone stellato spinoso V1, abbiamo scoperto che la precisione temporale degli impulsi di output migliorava con l'aumentare del numero di input LGN convergenti. Il miglioramento era coerente con la proporzionalità prevista di √???? per ???? neuroni sorgente LGN. Abbiamo anche trovato configurazioni di connettività che massimizzano l'affidabilità e che generano treni di impulsi di output delle cellule V1 quantitativamente simili alle registrazioni sperimentali. I nostri risultati suggeriscono un principio generale, ovvero la variabilità intra-prova tra input convergenti, che aumenta la precisione della risposta allo stimolo ed è ampiamente applicabile ai neuroni spiking connessi sinapticamente. Il percorso visivo precoce del gatto è favorevole allo studio degli effetti della variabilità tra prove degli input sinaptici e della variabilità intra-prova della connettività talamocorticale sulla trasmissione delle informazioni nella corteccia visiva. Abbiamo utilizzato un modello dettagliato per dimostrare che esistono combinazioni preferenziali tra il numero di afferenze talamiche e il numero di sinapsi per afferente che massimizzano l'affidabilità dell'output e la precisione temporale degli impulsi dei neuroni corticali. Ciò fornisce ulteriori spunti su come la sincronia nei treni di impulsi talamici possa ridurre la variabilità da prova a prova, producendo una segnalazione altamente affidabile degli eventi sensoriali alla corteccia. Gli stessi principi possono essere applicati ad altri percorsi convergenti in cui treni di impulsi temporalmente jittered possono guidare in modo affidabile il neurone a valle e migliorare la precisione temporale.

Bell, M., Bartol, T., Sejnowski, T., Rangamani, P. La geometria delle spine dendritiche e l'organizzazione dell'apparato spinale regolano la dinamica spaziotemporale del calcio. (2019) J. Gen. Fisiolo DOI: 10.1085/jgp.201812261

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Pinto-Duarte, A., Roberts, AJ, Ouyang, K., Sejnowski, TJ Alterazioni della memoria remota causate dalla mancanza di recettori IP di tipo 2. (2019) Glia. DOI: 10.1002/glia.23679

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Il secondo messaggero inositolo 1,4,5-trifosfato (IP) è fondamentale per la trasduzione del segnale nelle cellule biologiche, mediando il rilascio di Ca dal reticolo endoplasmatico. Delle tre isoforme dei recettori IP identificati nel sistema nervoso, il Tipo 2 (IP R2) è la principale isoforma espressa dagli astrociti. È stato dimostrato che la completa assenza di IP R2 nei topi transgenici interrompe significativamente la segnalazione del Ca negli astrociti, lasciando praticamente inalterate le vie intracellulari neuronali. Se e come questo recettore prevalentemente non neuronale possa influenzare la funzione della memoria a lungo termine è stato oggetto di intenso dibattito. In questo lavoro, abbiamo scoperto che l'assenza della segnalazione mediata da IP R2 non interrompeva il normale apprendimento o la memoria recente (24-48 ore). Contrariamente alle aspettative, tuttavia, i topi privi di IP R2 mostravano deficit di memoria a distanza (2-4 settimane). La mancanza di IP R2 non solo comprometteva il riconoscimento a distanza, la paura e i ricordi spaziali, ma impediva anche i naturali miglioramenti della memoria post-codifica conseguenti al consolidamento della memoria. In linea con il ruolo chiave svolto dalla riduzione della trasmissione sinaptica nel consolidamento della memoria, abbiamo scoperto che la depressione a lungo termine dipendente da NMDAR era anormale in fettine di ippocampo ex vivo preparate in acuto da topi con deficit di IP R2, un deficit che poteva essere prevenuto con l'integrazione con D-serina, un co-agonista del recettore NMDA la cui sintesi dipende dall'attività degli astrociti. I nostri risultati rivelano che l'attivazione di IP R2, che nel cervello è fondamentale per la segnalazione del Ca negli astrociti, ma non nei neuroni, può contribuire a modellare la plasticità cerebrale migliorando il consolidamento delle informazioni appena acquisite in memorie a lungo termine che possono guidare i comportamenti cognitivi a distanza.

Zhou, J., Ma, J., Chen, Y., Cheng, C., Bao, B., Peng, J., Sejnowski, TJ, Dixon, JR, Ecker, JR Clustering Hi-C robusto a singola cellula mediante imputazione basata su convoluzione e random walk. (2019) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1901423116

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Oakley, BA, Sejnowski, TJ Cosa abbiamo imparato creando uno dei MOOC più popolari al mondo. (2019) NPJ Sci Learn. 4:7. DOI: 10.1038/s41539-019-0046-0

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Ernst, OK, Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Mjolsness, E. Apprendimento della chiusura del momento nei sistemi di reazione-diffusione con distribuzioni di Boltzmann dinamiche spaziali. (2019) Rettore fisico E. 99(6-1):063315. DOI: 10.1103/PhysRevE.99.063315

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Das, A., Sexton, D., Lainscsek, C., Cash, SS, Sejnowski, TJ Caratterizzazione della connettività cerebrale da registrazioni elettrocorticografiche umane con input non osservati durante crisi epilettiche. (2019) Calcolo neurale.:1-56 DOI: 10.1162/neco_a_01205

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L'epilessia è un disturbo neurologico caratterizzato dall'improvvisa comparsa di crisi epilettiche non provocate. Esistono numerose prove di una connettività cerebrale significativamente alterata durante i periodi di crisi nel cervello umano. La ricerca sull'analisi della connettività funzionale del cervello umano durante le crisi epilettiche si è limitata principalmente all'uso del metodo di correlazione. Tuttavia, è possibile misurare una connettività spuria tra due regioni cerebrali senza che vi sia una connessione o un'interazione diretta tra di esse. Le correlazioni possono essere dovute alle interazioni apparenti delle due regioni cerebrali derivanti da un input comune proveniente da una terza regione, che può essere osservata o meno. Pertanto, i ricercatori hanno recentemente proposto una matrice di precisione sparsa più latente regolarizzata (SLRPM) quando vi sono regioni non osservate o latenti che interagiscono con le regioni osservate. Il metodo SLRPM produce correlazioni parziali delle statistiche condizionali delle regioni osservate, date le regioni latenti, identificando così le regioni osservate che sono condizionatamente indipendenti sia dalle regioni osservate che da quelle latenti. Valutiamo le prestazioni dei metodi utilizzando una rete artificiale spring-mass e ipotizzando che alcuni nodi non possano essere osservati, costituendo così le variabili latenti nell'esempio. Sono stati considerati diversi casi, tra cui connessioni sparse e dense, connessioni a corto e lungo raggio e un numero variabile di variabili latenti. Il metodo SLRPM viene quindi applicato per stimare la connettività cerebrale durante crisi epilettiche a partire da registrazioni ECoG umane. Settantaquattro crisi cliniche di cinque pazienti, tutti affetti da epilessia parziale complessa, sono state analizzate utilizzando SLRPM e la connettività cerebrale è stata quantificata utilizzando l'indice di modularità, il coefficiente di clustering e la centralità degli autovettori. Inoltre, utilizzando una misura degli input latenti stimata dal metodo SLRPM, è stato possibile rilevare automaticamente 72 delle 74 crisi con quattro falsi positivi e trovare sei crisi che non erano state marcate manualmente.

Siddharth, Patel, AN, Jung, TP, Sejnowski, TJ Un sistema di bio-rilevamento multimodale indossabile per applicazioni nel mondo reale. (2019) IEEE Trans Biomed Ing. 66(4):1137-1147. DOI: 10.1109/TBME.2018.2868759

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La biosensoristica multimodale è stata recentemente utilizzata come strumento di ricerca efficace nell'affective computing, nell'autismo, nei disturbi clinici e nella realtà virtuale, tra gli altri ambiti. Tuttavia, nessuno dei sistemi di biosensoristica esistenti supporta la multimodalità in modalità indossabile al di fuori di ambienti di laboratorio ben controllati con misurazioni di livello di ricerca. Questo articolo cerca di colmare questa lacuna sviluppando un sistema di biosensoristica multimodale indossabile in grado di raccogliere, sincronizzare, registrare e trasmettere dati da più biosensori: PPG, EEG, visore oculare, cattura del movimento corporeo, GSR, ecc., fornendo al contempo funzionalità di modulazione delle attività, tra cui il tagging degli stimoli visivi. Questo studio descrive lo sviluppo e l'integrazione di vari componenti del nostro sistema. Valutiamo i sensori sviluppati confrontandone le misurazioni con quelle ottenute da un biosensore standard di livello di ricerca. Valutiamo innanzitutto diverse modalità di sensori del nostro visore, ovvero il modulo PPG basato sul lobo dell'orecchio con cancellazione del rumore di movimento per l'ECG durante il calcolo del battito cardiaco. Confrontiamo inoltre i potenziali evocati visivi in stato stazionario misurati dai nostri sensori EEG a secco schermati con i potenziali ottenuti da sensori EEG a secco disponibili in commercio. Indaghiamo inoltre l'effetto dei movimenti della testa sull'accuratezza e la precisione del nostro sistema indossabile di osservazione oculare. Inoltre, svolgiamo due attività pratiche per dimostrare le applicazioni dell'utilizzo di più modalità di sensori per esplorare quesiti precedentemente senza risposta nell'ambito della biosensing. Nello specifico, utilizzando la biosensing, mostriamo quale strategia funziona meglio per giocare al gioco di ricerca visiva "Dov'è Waldo?", le variazioni dell'EEG corrispondenti a fissazioni di bersagli veri e falsi in questo gioco e la previsione degli stati di sconfitta/pareggio/vittoria attraverso le modalità di biosensing, imparandone al contempo i limiti in un gioco "Carta-Sasso-Forbici".

Tapia, JJ, Saglam, AS, Czech, J., Kuczewski, R., Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Faeder, JR MCell-R: un framework di modellazione spaziale senza rete di risoluzione delle particelle. (2019) Metodi in biologia molecolare. 1945:203-229. DOI: 10.1007/978-1-4939-9102-0_9

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Aimon, S., Katsuki, T., Jia, T., Grosenick, L., Broxton, M., Deisseroth, K., Sejnowski, TJ, Greenspan, RJ Imaging rapido di quasi tutto il cervello nella Drosophila adulta durante le risposte agli stimoli e al comportamento. (2019) PLOS Biology. 17(2):e2006732. DOI: 10.1371/journal.pbio.2006732

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Lainscsek, C., Sampson, AL, Kim, R., Thomas, ML, Man, K., Lainscsek, X., , Swerdlow, NR, Braff, DL, Sejnowski, TJ, Luce, GA Dinamiche non lineari alla base della disfunzione dell'elaborazione sensoriale nella schizofrenia. (2019) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 116(9):3847-3852. DOI: 10.1073/pnas.1810572116

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I sistemi naturali, incluso il cervello, appaiono spesso caotici, poiché sono tipicamente guidati da complessi processi dinamici non lineari. L'interruzione del coordinamento fluido di molteplici regioni cerebrali contribuisce a compromettere l'elaborazione delle informazioni e alla costellazione di sintomi osservati nei disturbi neuropsichiatrici. Si ritiene che la schizofrenia (SZ), una delle malattie mentali più debilitanti, derivi, in parte, da una tale disfunzione di rete, che porta a una compromissione dell'elaborazione delle informazioni uditive e a deficit cognitivi e psicosociali. Gli attuali approcci all'analisi dei biomarcatori neurofisiologici si basano prevalentemente su metodi lineari e potrebbero, pertanto, non riuscire a catturare la ricchezza di informazioni contenute nei segnali EEG completi, comprese le dinamiche non lineari. In questo studio, l'analisi differenziale del ritardo (DDA), un metodo non lineare basato sulla teoria dell'embedding della fisica teorica, è stata applicata alle registrazioni EEG di 877 pazienti con SZ e 753 soggetti di confronto non psichiatrici (NCS) sottoposti a test di negatività del mismatch (MMN) tramite la loro partecipazione allo studio del Consortium on the Genetics of Schizophrenia (COGS-2). La DDA ha rivelato una significativa architettura dinamica non lineare correlata all'elaborazione delle informazioni uditive in entrambi i gruppi. È importante sottolineare che significative variazioni della DDA hanno preceduto quelle osservate con i metodi lineari tradizionali. Sono state rilevate marcate anomalie sia nelle caratteristiche lineari che in quelle non lineari nei pazienti con SZ. Questi risultati illustrano i vantaggi dell'analisi non lineare dei segnali cerebrali e sottolineano la necessità di studi futuri per indagare la relazione tra le caratteristiche della DDA e la fisiopatologia dell'elaborazione delle informazioni.

Padmanabhan, K., Osakada, F., Tarabrina, A., Kizer, E., Callaway, EM, Gage, FH, Sejnowski, TJ Input centrifughi al bulbo olfattivo principale rivelati attraverso la mappatura dei circuiti dell'intero cervello. (2019) Frontiere della neuroanatomia. 12:115. DOI: 10.3389/fnana.2018.00115

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Sampson, AL, Lainscsek, C., Gonzalez, CE, Ulbert, I., Devinsky, O., Fabó, D., Halgren, E., Cash, SS, Sejnowski, TJ Analisi differenziale del ritardo per il rilevamento dinamico del fuso del sonno. (2019) Rivista di metodi di neuroscienza. DOI: 10.1016/j.jneumeth.2019.01.009

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Reddy, G., Wong-Ng, J., Celani, A., Sejnowski, TJ, Vergassola, M. Volo in aliante tramite apprendimento per rinforzo sul campo. (2018) Natura. DOI: 10.1038/s41586-018-0533-0

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Sejnowski, T. Il profeta che ha predetto il nostro futuro. (2018) Cervello: una rivista di neurologia. 141(9):2820-2822. DOI: 10.1093/brain/awy212

Ernst, OK, Bartol, T., Sejnowski, T., Mjolsness, E. Apprendimento delle distribuzioni dinamiche di Boltzmann come modelli ridotti di cinetica chimica spaziale. (2018) J Chem Fis. 149(3):034107. DOI: 10.1063/1.5026403

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Haas, KT, Compans, B., Letellier, M., Bartol, TM, Grillo-Bosch, D., Sejnowski, TJ, Sainlos, M., Choquet, D., Thoumine, O., Hosy, E. L'allineamento pre-post sinaptico attraverso la neuroligina-1 regola l'efficienza della trasmissione sinaptica. (2018) Evita. 7. DOI: 10.7554/eLife.31755

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Siddharth, Jung, TP, Sejnowski, TJ Approccio multimodale per l'affective computing. (2018) Conf. Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2018:291-294. DOI: 10.1109/EMBC.2018.8512320

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Krishnan, GP, Rosen, BQ, Chen, JY, Muller, L., Sejnowski, TJ, Cash, SS, Halgren, E., Bazhenov, M. La connettività laminare talamocorticale e intracorticale determina le proprietà del fuso del sonno. (2018) PLOS Biologia Computazionale. 14(6):e1006171. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006171

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I fusi del sonno sono brevi eventi oscillatori durante il sonno non-REM (non-rapid eye movement). La densità e le proprietà di sincronizzazione dei fusi sono diverse nelle registrazioni MEG ed EEG negli esseri umani e variano anche con le prestazioni di apprendimento, suggerendo il coinvolgimento dei fusi nel consolidamento della memoria. In questo studio, utilizzando modelli computazionali, abbiamo identificato meccanismi di rete che potrebbero spiegare le differenze nelle proprietà dei fusi nelle diverse strutture corticali. In primo luogo, riportiamo che le differenze nella presenza dei fusi tra i dati MEG ed EEG potrebbero derivare dalle proprietà contrastanti dei sistemi talamocorticali del nucleo e della matrice. Il sistema della matrice, che proietta superficialmente, ha un fanout talamocorticale più ampio rispetto al sistema del nucleo, che proietta verso gli strati intermedi, e richiede il reclutamento di una popolazione più ampia di neuroni per avviare un fuso. Questa proprietà è stata sufficiente a spiegare la minore densità dei fusi e la maggiore sincronia spaziale dei fusi negli strati corticali superficiali, come osservato nel segnale EEG. Al contrario, i fusi nel sistema del nucleo si sono verificati più frequentemente ma in modo meno sincrono, come osservato nelle registrazioni MEG. Inoltre, in linea con le registrazioni umane, nel modello i fusi si presentavano indipendentemente nel sistema centrale, mentre i fusi del sistema della matrice si presentavano comunemente insieme ai fusi centrali. Abbiamo anche scoperto che le connessioni eccitatorie intracorticali dallo strato III/IV allo strato V promuovono la propagazione dei fusi dal sistema centrale a quello della matrice, portando a un'attività diffusa dei fusi. Il nostro studio prevede che la plasticità della connettività intra- e intercorticale possa potenzialmente essere un meccanismo per l'aumento della densità dei fusi, come osservato durante l'apprendimento.

Ruiz-Martínez, , Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Tartakovskij, DM Modelli efficienti di polimerizzazione applicati all'assemblaggio dell'anello FtsZ in . (2018) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1719391115

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Moldakarimov, S., Bazhenov, M., Feldman, DE, Sejnowski, TJ Le reti strutturate supportano onde viaggianti sparse nella corteccia somatosensoriale dei roditori. (2018) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1710202115

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Wang, X., Pinto-Duarte, A., Behrens, MM, Zhou, X., Sejnowski, TJ La ketamina ha modulato in modo indipendente la potenza e l'accoppiamento di fase delle oscillazioni theta nei topi ipomorfici Sp4. (2018) PLOS One. 13(3):e0193446. DOI: 10.1371/journal.pone.0193446

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La ridotta espressione di Sp4, l'omologo murino di SP4 umano, un gene di rischio per molteplici disturbi psichiatrici, ha portato a ipofunzione dell'N-metil-D-aspartato (NMDA) nei topi, producendo fenotipi comportamentali che ricordano la schizofrenia, inclusa l'ipersensibilità alla ketamina. Sebbene l'accumulo di prove sui meccanismi molecolari e sui fenotipi comportamentali abbia stabilito che l'ipomorfismo di Sp4 è un promettente modello animale, i meccanismi del circuito neurale a livello di sistema dell'ipomorfismo di Sp4, in particolare le dinamiche di rete alla base delle funzioni cognitive, rimangono poco compresi. Abbiamo tentato di colmare questa lacuna conoscitiva nel presente studio registrando un elettroencefalogramma (EEG) epidurale multicanale da topi selvatici svegli e ipomorfi di Sp4. Abbiamo caratterizzato i fenotipi di potenza e accoppiamento di fase della banda theta corticale, un noto substrato del circuito neurale alla base delle funzioni cognitive, e abbiamo ulteriormente studiato gli effetti di un dosaggio subanestetico di ketamina sulle anomalie theta tipiche dell'ipomorfismo di Sp4. I topi ipomorfi Sp4 presentavano una potenza theta notevolmente elevata localizzata frontalmente e parietale, una progressione della fase theta più pronunciata lungo il nevrasse e un accoppiamento theta fronto-parietale più forte. La ketamina subanestetica acuta non ha influenzato la potenza theta negli animali di tipo selvatico, ma l'ha ridotta significativamente nei topi ipomorfi Sp4, neutralizzando quasi completamente la loro eccessiva potenza theta frontale/parietale. La ketamina non ha alterato significativamente la progressione della fase theta corticale né negli animali di tipo selvatico né in quelli ipomorfi Sp4, ma ha rafforzato significativamente l'accoppiamento di fase theta corticale negli animali di tipo selvatico, ma non negli animali ipomorfi Sp4. I nostri risultati suggeriscono che i fenotipi a riposo delle oscillazioni theta corticali, tipici dei topi ipomorfi Sp4, imitassero da vicino un endofenotipo schizofrenico. Inoltre, la ketamina ha modulato in modo indipendente le anomalie ipomorfiche Sp4 nella potenza theta e nell'accoppiamento di fase, suggerendo meccanismi distinti del circuito neurale sottostante.

Muller, L., Chavane, F., Reynolds, J., Sejnowski, TJ Onde viaggianti corticali: meccanismi e principi computazionali. (2018) Nature Reviews Neuroscienze. DOI: 10.1038/nrn.2018.20

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Kaya, C., Cheng, MH, Block, ER, Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Sorkin, A., Faeder, JR, Bahar, I. Le eterogeneità nella struttura assonale e nella distribuzione dei trasportatori riducono l'efficienza della ricaptazione della dopamina. (2018) eNeuro. 5(1). DOI: 10.1523/ENEURO.0298-17.2017

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L'efficiente eliminazione della dopamina (DA) dalla sinapsi è fondamentale per la regolazione della segnalazione dopaminergica. Questo ruolo è svolto dai trasportatori di DA (DAT). Recenti progressi nella caratterizzazione strutturale del DAT di Drosophila (dDAT) e nell'imaging ad alta risoluzione dei neuroni DA e nella distribuzione dei DAT nelle cellule viventi ci consentono ora di acquisire una comprensione meccanicistica degli eventi di ricaptazione della DA in silico. Utilizzando immagini di microscopia elettronica e immunofluorescenza di cervelli di topi knock-in transgenici che esprimono DAT marcato con emoagglutinina nei neuroni DA, abbiamo ricostruito un ambiente realistico per simulazioni MCell della ricaptazione della DA, in cui l'identità, la popolazione e la cinetica dei sottostati di DAT umano modellati per omologia (hDAT) sono stati derivati da simulazioni molecolari. È stato osservato che la complessa morfologia dei terminali assonici in prossimità delle zone attive dà origine a grandi variazioni nell'efficienza di ricaptazione della DA e, di conseguenza, nella densità extracellulare di DA. Il confronto dell'effetto di diversi pattern di attivazione ha mostrato che l'attivazione fasica aumenterebbe la probabilità di raggiungere livelli locali di DA sufficientemente elevati da attivare i recettori DA a bassa affinità, principalmente a causa degli elevati livelli di DA transitoriamente raggiunti durante la fase di burst. La distribuzione superficiale non uniforme dei DAT osservata sperimentalmente è emersa come un importante modulatore della segnalazione DA: il riassorbimento era più lento e i picchi/l'ampiezza dei livelli transitori di DA erano più netti/ampi in presenza di una distribuzione non uniforme dei DAT, rispetto a quella uniforme. Nel complesso, lo studio evidenzia l'importanza di descrizioni accurate della morfologia extrasinaptica, della distribuzione dei DAT e della cinetica conformazionale per la valutazione quantitativa della trasmissione dopaminergica e per una comprensione più approfondita dei meccanismi che regolano la trasmissione DA.

Bromer, C., Bartol, TM, Bowden, JB, Hubbard, DD, Hanka, DC, Gonzalez, PV, Kuwajima, M., Mendenhall, JM, Parker, PH, Abraham, WC, Sejnowski, TJ, Harris, KM Il potenziamento a lungo termine amplia il contenuto informativo delle sinapsi del giro dentato dell'ippocampo. (2018) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1716189115

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Wang, M., Lui, Y., Sejnowski, TJ, Yu, X. I segnali Ca2+ astrocitari dipendenti dallo stato cerebrale sono accoppiati sia ai segnali BOLD-fMRI positivi che a quelli negativi. (2018) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1711692115

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O'Donnell, C., Gonçalves, JT, Portera-Cailliau, C., Sejnowski, TJ Oltre lo squilibrio eccitazione/inibizione nei modelli multidimensionali di cambiamenti nei circuiti neurali nei disturbi cerebrali. (2017) Evita. 6. DOI: 10.7554/eLife.26724

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Li, Y., Wang, F., Chen, Y., Cichocki, A., Sejnowski, T. Gli effetti degli input audiovisivi sulla risoluzione del problema del cocktail party nel cervello umano: uno studio fMRI. (2017) Corteccia cerebrale.:1-15 DOI: 10.1093/cercor/bhx235

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Holter KE, Kehlet B., Devor A., Sejnowski, TJ, Dale, AM, Omholt, SW, Ottersen, OP, Nagelhus, EA, Mardal, KA, Pettersen, KH Il trasporto dei soluti interstiziali nel neuropilo ricostruito in 3D avviene per diffusione anziché per flusso di massa. (2017) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. DOI: 10.1073 / pnas.1706942114

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Luo, C., Keown, CL, Kurihara, L., Zhou, J., He, Y., Li, J., Castanon, R., Lucero, J., Nery, JR, Sandoval, JP, Bui, B., Sejnowski, TJ, Harkins, TT, Mukamel, EA*, Behrens, MM*, Ecker, JR* I metilomi monocellulari identificano i sottotipi neuronali e gli elementi regolatori nella corteccia dei mammiferi. (2017) Scienza. 357(6351):600-604. DOI: 10.1126/science.aan3351

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Lainscsek, C., Weyhenmeyer, J., Cash, SS, Sejnowski, TJ Analisi differenziale del ritardo delle crisi epilettiche nei dati dell'elettrocorticografia multicanale. (2017) Calcolo neurale.:1-38 DOI: 10.1162/neco_a_01009

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Gli elettrodi per elettrocorticogramma ad alta densità (ECoG) sono in grado di registrare dati neurofisiologici con elevata risoluzione temporale e ampia copertura spaziale. Queste registrazioni offrono una finestra sulla comprensione di come il cervello umano elabora le informazioni e si comporta successivamente in stati sani e patologici. In questo articolo, descriviamo e implementiamo l'analisi differenziale del ritardo (DDA) per la caratterizzazione dei dati ECoG ottenuti da pazienti umani con epilessia intrattabile. La DDA è un framework di analisi nel dominio del tempo basato sulla teoria dell'embedding in dinamiche non lineari che rivela le proprietà invarianti non lineari di un sistema dinamico sconosciuto. L'embedding della DDA funge da base dinamica non lineare a bassa dimensionalità su cui vengono mappati i dati. Ciò riduce notevolmente il rischio di overfitting e migliora la capacità del metodo di adattare classi di dati. Poiché la base si basa sulla struttura dinamica dei dati, non è necessaria la preelaborazione dei dati (ad esempio, il filtraggio). Abbiamo condotto una ricerca su larga scala per un modello DDA che si adattasse al meglio alle registrazioni ECoG utilizzando un algoritmo genetico per discriminare qualitativamente tra diversi stati corticali ed eventi epilettici per un gruppo di 13 pazienti. È stato identificato un singolo modello DDA con soli tre termini polinomiali. La scomposizione in valori singolari nello spazio delle caratteristiche del modello ha rivelato dinamiche sia globali che locali che potevano differenziare le crisi elettrografiche ed elettrocliniche e ha fornito informazioni sull'insorgenza altamente localizzata delle crisi e sulla loro conclusione diffusa. Anche altre caratteristiche comuni dell'ECoG, come periodi interictali, artefatti e stimoli esogeni, sono state analizzate con DDA. Questo nuovo framework per l'elaborazione del segnale delle informazioni sulle crisi dimostra la capacità di rivelare caratteristiche uniche delle dinamiche sottostanti la crisi e può essere utile per una migliore comprensione, rilevazione e forse persino previsione delle crisi.

Lin, TW, Das, A., Krishnan, GP, Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Covarianza differenziale: una nuova classe di metodi per stimare la connettività sparsa dalle registrazioni neurali. (2017) Calcolo neurale.:1-52 DOI: 10.1162/neco_a_01008

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Lainscsek, C., Muller, LE, Sampson, AL, Sejnowski, TJ Derivazione analitica degli effetti spettrali non lineari e degli artefatti di ridimensionamento 1/f nell'elaborazione del segnale dei dati del mondo reale. (2017) Calcolo neurale. 29(7):2004-2020. DOI: 10.1162/NECO_a_00979

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Veit, J., Hakim, R., Jadi, MP, Sejnowski, TJ, Adesnik, H. Sincronizzazione della banda gamma corticale attraverso gli interneuroni della somatostatina. (2017) Nature Neuroscience. 20(7):951-959. DOI: 10.1038/nn.4562

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Hurtado-López, J., Ramirez-Moreno, DF, Sejnowski, TJ Circuiti neurali decisionali che mediano i comportamenti sociali: un modello di rete attrattiva. (2017) Rivista di neuroscienze computazionali. DOI: 10.1007/s10827-017-0654-8

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Peterson, DA, Sejnowski, TJ Un'ipotesi di circuito dinamico per la patogenesi del blefarospasmo. (2017) Frontiere nelle neuroscienze computazionali. 11:11. DOI: 10.3389/fncom.2017.00011

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Il blefarospasmo (talvolta chiamato "blefarospasmo essenziale benigno", BEB) è una delle distonie focali più comuni. Comporta spasmi palpebrali involontari, chiusura degli occhi e aumento dell'ammiccamento. Nonostante il successo delle iniezioni di tossina botulinica e, in alcuni casi, degli interventi farmacologici o chirurgici, i trattamenti per il BEB non sono completamente efficaci e sono solo sintomatici. Conoscendo la patogenesi del BEB primario, potremmo sviluppare strategie basate su principi per prevenire e invertire la malattia. L'obiettivo di questo studio era sviluppare un quadro concettuale e un'ipotesi di circuito dinamico per la patogenesi del BEB. Il quadro estende la nostra teoria generale sulla patogenesi multifattoriale delle distonie focali (Peterson et al., 2010) per incorporare un modello di roditore a due eventi specificamente correlati al BEB (Schicatano et al., 1997). Incorporiamo nel framework tre caratteristiche critiche per il controllo motorio cranico: (1) l'influenza congiunta delle regioni corticali motorie e delle proiezioni discendenti dirette da uno dei nuclei di uscita dei gangli della base, la pars reticulata della substantia nigra, sui nuclei motori del tronco encefalico, (2) circuiti annidati composti dall'arco riflesso del battito di ciglia del trigemino e dal lungo circuito sensomotorio dal nucleo del trigemino attraverso il talamo alla corteccia somatosensoriale, di nuovo attraverso i gangli della base agli stessi nuclei del tronco encefalico che modulano l'arco riflesso, e (3) anomalie nel sistema dopaminergico dei gangli della base che forniscono un substrato di apprendimento sensomotorio che, se combinato con schemi di aumento del battito di ciglia, porta a mappature sensomotorie anomale che si manifestano come BEB. Il framework spiega i dati sperimentali sull'eccitabilità del battito di ciglia riflesso del trigemino (TRBE) di Schicatano et al. e formula previsioni che possono essere testate in nuovi modelli sperimentali animali basati sulla genetica emergente nella distonia, tra cui le alterazioni della trasduzione della dopamina D1R specifiche dello striato, recentemente caratterizzate e causate dalla mutazione GNAL. Più in generale, il modello fornirà una guida per i futuri sforzi volti a collegare meccanicamente molteplici fattori nella patogenesi del BEB e a facilitare le simulazioni di come le manipolazioni esogene dei fattori patogeni potrebbero essere utilizzate per prevenire e invertire il disturbo.

Das, A., Sampson, AL, Lainscsek, C., Muller, L., Lin, W., Doyle, JC, Cash, SS, Halgren, E., Sejnowski, TJ Interpretazione della matrice di precisione e sua applicazione nella stima della connettività cerebrale sparsa durante i fusi del sonno dalle registrazioni elettrocorticografiche umane. (2017) Calcolo neurale. 29(3):603-642. DOI: 10.1162/NECO_a_00936

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Il metodo di correlazione derivato dall'imaging cerebrale è stato utilizzato per stimare la connettività funzionale nel cervello umano. Tuttavia, le regioni cerebrali potrebbero mostrare una correlazione molto elevata anche quando le due regioni non sono direttamente connesse, a causa della forte interazione delle due regioni con input comuni provenienti da una terza regione. Una soluzione precedentemente proposta a questo problema consiste nell'utilizzare una matrice di covarianza inversa regolarizzata sparsa o matrice di precisione (SRPM), assumendo che la struttura di connettività sia sparsa. Questo metodo produce correlazioni parziali per misurare forti interazioni dirette tra coppie di regioni, rimuovendo simultaneamente l'influenza delle restanti regioni e identificando così regioni condizionatamente indipendenti. Per testare i nostri metodi, abbiamo innanzitutto dimostrato le condizioni in cui il metodo SRPM poteva effettivamente trovare la vera connessione fisica tra una coppia di nodi per un esempio di molla-massa e un esempio di circuito RC. Il recupero della struttura di connettività utilizzando il metodo SRPM può essere spiegato da modelli energetici che utilizzano la distribuzione di Boltzmann. Abbiamo poi dimostrato l'applicazione del metodo SRPM per stimare la connettività cerebrale durante i fusi del sonno di stadio 2 a partire da registrazioni di elettrocorticografia umana (ECoG) utilizzando un array di elettrodi [Formula: vedi testo]. Le registrazioni ECoG che abbiamo analizzato provenivano da un paziente maschio di 32 anni con epilessia parziale complessa del lobo temporale sinistro farmacoresistente di lunga data. I fusi del sonno sono stati rilevati automaticamente utilizzando l'analisi differenziale del ritardo e quindi analizzati con SRPM e il metodo di Louvain per il rilevamento di comunità. Abbiamo trovato reti cerebrali spazialmente localizzate all'interno e tra aree corticali adiacenti durante i fusi, a differenza del caso in cui i fusi del sonno non erano presenti.

O'Donnell, C., Gonçalves, JT, Whiteley, N., Portera-Cailliau, C., Sejnowski, TJ Il modello di monitoraggio della popolazione: un modello statistico semplice e scalabile per i dati della popolazione neurale. (2017) Calcolo neurale. 29(1):50-93. DOI: 10.1162/NECO_a_00910

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Williams, AH, O'Donnell, C., Sejnowski, TJ, O'Leary, T. Il traffico dendritico si trova di fronte a compromessi fisiologicamente critici tra velocità e precisione. (2016) Evita. 5. DOI: 10.7554/eLife.20556

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Muller, L., Piantoni, G., Koller, D., Cash, SS, Halgren, E., Sejnowski, TJ Le onde rotanti durante il sonno umano organizzano modelli globali di attività che si ripetono con precisione durante la notte. (2016) Evita. 5. DOI: 10.7554/eLife.17267

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Peterson, DA, Littlewort, GC, Bartlett, MS, Macerollo, A., Perlmutter, JS, Jinnah, HA, Hallett, M., Sejnowski, TJ Valutazione oggettiva, computerizzata e basata su video, della gravità del blefarospasmo. (2016) Neurologia. 87(20):2146-2153. DOI: 10.1212/WNL.0000000000003336

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Churchland, PS, Sejnowski, TJ Combinazione di neuroscienze computazionali e sperimentali. (2016) Nature Reviews Neuroscienze. 17(11):667-668. DOI: 10.1038/nrn.2016.114

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Grillner, S., Ip, N., Koch, C., Koroshetz, W., Okano, H., Polachek, M., Poo, MM, Sejnowski, TJ Iniziative mondiali per promuovere la ricerca sul cervello. (2016) Nature Neuroscience. 19(9):1118-22. DOI: 10.1038/nn.4371

Kosik, KS, Sejnowski, TJ, Raichle, ME, Ciechanover, A., Baltimora, D. Un percorso verso la comprensione della neurodegenerazione. (2016) Scienza. 353(6302):872-3. DOI: 10.1126/science.aai7622

Reddy, G., Celani, A., Sejnowski, TJ, Vergassola, M. Imparare a librarsi in volo in ambienti turbolenti. (2016) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 113(33):E4877-84. DOI: 10.1073/pnas.1606075113

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Eh, D., Sejnowski, TJ Legge di conservazione per i movimenti autoregolati. (2016) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 113(31):8831-6. DOI: 10.1073/pnas.1608724113

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Padmanabhan, K., Osakada, F., Tarabrina, A., Kizer, E., Callaway, EM, Gage, FH, Sejnowski, TJ Diverse rappresentazioni delle informazioni olfattive nelle proiezioni di feedback centrifugo. (2016) Journal of Neuroscience. 36(28):7535-45. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3358-15.2016

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Ruiz-Martinez, A., Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Tartakovskij, DM Modelli multiscala efficienti per l'assemblaggio di polimeri. (2016) Giornale Biofisico. 111(1):185-96. DOI: 10.1016/j.bpj.2016.05.022

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Jadi, MP, Behrens, MM, Sejnowski, TJ Oscillazioni gamma anomale nei modelli di ipofunzione del recettore N-metil-D-aspartato nella schizofrenia. (2016) Psichiatria biologica 79(9):716-26. DOI: 10.1016/j.biopsych.2015.07.005

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Saremi, S., Sejnowski, TJ Percolazione correlata, strutture frattali e distribuzione invariante di scala dei cluster nelle immagini naturali. (2016) IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 38(5):1016-20. DOI: 10.1109/TPAMI.2015.2481402

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Rodrigues, S., Desroches, M., Krupa, M., Cortes, JM, Sejnowski, TJ, Ali, AB Rilascio di neurotrasmettitori codificato nel tempo nelle sinapsi eccitatorie e inibitorie. (2016) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 113(8):E1108-15. DOI: 10.1073/pnas.1525591113

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O'Donnell, C., Sejnowski, TJ Street View della mappa cognitiva. (2016) Cellula. 164(1-2):13-5. DOI: 10.1016/j.cell.2015.12.051

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Veltz, R., Sejnowski, TJ Forzatura periodica di reti stabilizzate dall'inibizione: risonanze non lineari e accoppiamento fase-ampiezza. (2015) Calcolo neurale. 27(12):2477-509. DOI: 10.1162/NECO_a_00786

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Bartol, TM, Bromer, C., Kinney, J., Chirillo, MA, Bourne, JN, Harris, KM, Sejnowski, TJ Limite superiore nanoconnettomico della variabilità della plasticità sinaptica. (2015) Evita. 4:e10778. DOI: 10.7554/eLife.10778

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Bartol, TM, Keller, DX, Kinney, JP, Bajaj, CL, Harris, KM, Sejnowski, TJ, Kennedy, MB Ricostruzione computazionale dei transienti di calcio spinale da singole proteine. (2015) Neuroscienze sinaptiche anteriori. 7:17. DOI: 10.3389/fnsyn.2015.00017

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Abbiamo costruito un modello stocastico nel programma MCell che simula i transienti di Ca(2+) nelle spine a partire dai principali componenti molecolari che si ritiene controllino l'ingresso e l'uscita del Ca(2+). Le proteine, con i loro modelli cinetici, sono localizzate all'interno di due segmenti di dendriti contenenti 88 spine intatte, centrate in un cubo di neuropilo ippocampale di 6 × 6 × 5 μm(3) completamente ricostruito. I componenti proteici includono recettori del glutammato di tipo AMPA e NMDA, canali del Ca(2+) voltaggio-dipendenti di tipo L e R, scambiatori Na(+)/Ca(2+), ATPasi del Ca(2+) della membrana plasmatica, ATPasi del Ca(2+) del reticolo endoplasmatico liscio, tamponi immobili del Ca(2+) e calbindina. I modelli cinetici per ciascuna proteina sono stati tratti da studi pubblicati sulle proteine isolate in vitro. Per la simulazione degli stimoli elettrici, l'andamento temporale delle variazioni di tensione nella spina dendritica è stato generato con lo stimolo desiderato nel programma NEURON. I parametri dipendenti dalla tensione sono stati quindi continuamente riaggiustati durante le simulazioni in MCell per riprodurre gli effetti dello stimolo. Nove parametri del modello sono stati ottimizzati entro limiti sperimentali realistici mediante un processo che ha confrontato i risultati delle simulazioni con i dati pubblicati. Abbiamo scoperto che le simulazioni nel modello ottimizzato riproducono la tempistica e l'ampiezza dei transienti di Ca2+ misurati sperimentalmente nei neuroni intatti. Pertanto, dimostriamo che le caratteristiche delle singole proteine isolate determinate in vitro possono riprodurre accuratamente la dinamica dei transienti di Ca2+ misurati sperimentalmente nelle spine. Il modello fornirà un banco di prova per esplorare il ruolo di ulteriori proteine che regolano l'afflusso di Ca2+ nelle spine e per studiare il comportamento dei bersagli proteici nella spina che sono regolati dall'afflusso di Ca2+.

Wang, X., Pinto-Duarte, A., Behrens, MM, Zhou, X., Sejnowski, TJ Caratterizzazione dei potenziali epidurali spazio-temporali correlati agli eventi per modelli murini di disturbi psichiatrici. (2015) Relazioni scientifiche. 5:14964. DOI: 10.1038/srep14964

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Barnes, SA, Pinto-Duarte, A., Kappe, A., Zembrzycki, A., Metzler, A., Mukamel, EA, Lucero, J., Wang, X., Sejnowski, TJ, Markou, A.*, Behrens, MM* L'interruzione di mGluR5 nei neuroni interneuronali parvalbumina-positivi induce caratteristiche fondamentali dei disturbi dello sviluppo neurologico. (2015) Molecular Psychiatry. 20(10):1161-72. DOI: 10.1038/mp.2015.113

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González, OC, Krishnan, GP, Chauvette, S., Timofeev, I., Sejnowski, T., Bazhenov, M. Modellazione dell'epilettogenesi dipendente dall'età mediante ridimensionamento sinaptico omeostatico differenziale. (2015) Journal of Neuroscience. 35(39):13448-62. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.5038-14.2015

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La plasticità sinaptica omeostatica (HSP) è stata implicata nello sviluppo di ipereccitabilità e crisi epilettiche in seguito a trauma cranico (TBI). I nostri studi sperimentali in vivo sui gatti hanno rivelato che la gravità dell'epilettogenesi mediata da TBI dipende dall'età dell'animale. Per caratterizzare i meccanismi di queste differenze, abbiamo studiato le proprietà dell'epilettogenesi indotta da TBI in un modello di rete corticale biofisicamente realistico con concentrazioni ioniche dinamiche. Dopo la deafferentazione, indotta dalla dissezione degli input afferenti, si è verificata una riduzione dell'attività della rete e una sovraregolazione delle connessioni eccitatorie, che ha portato a crisi epilettiche spontanee di tipo punta-onda. Quando è stato implementato lo sprouting assonale, la soglia convulsiva è aumentata nel modello di animali giovani, ma non in quelli più anziani, che presentavano processi omeostatici più lenti o unidirezionali. Il nostro studio suggerisce che i cambiamenti legati all'età nei meccanismi HSP sono sufficienti a spiegare la differenza nella probabilità di insorgenza di crisi epilettiche negli animali giovani rispetto a quelli più anziani. Dichiarazione di significatività: il trauma cranico (TBI) è una delle principali cause di epilessia intrattabile. È stato dimostrato che la probabilità di sviluppare epilessia e convulsioni a seguito di un grave trauma cerebrale aumenta con l'età. Restano da comprendere i meccanismi specifici dell'epilettogenesi correlata al TBI e il modo in cui questi meccanismi sono influenzati dall'età. Verifichiamo l'ipotesi che il fallimento della regolazione sinaptica omeostatica, un meccanismo di feedback negativo lento che mantiene l'attività neurale entro un intervallo fisiologico attraverso la modulazione della forza sinaptica dipendente dall'attività, negli animali più anziani possa aumentare l'epilettogenesi indotta dal TBI. I nostri risultati forniscono nuove informazioni per la comprensione di questo disturbo debilitante e possono aprire nuove strade per lo sviluppo di trattamenti efficaci per l'epilessia indotta dal TBI.

Coggan, JS, Sejnowski, TJ, Prescott, SA La cooperazione tra siti remoti di picco ectopico consente di avviare e mantenere la dimissione successiva in sedi diverse. (2015) Rivista di neuroscienze computazionali. 39(1):17-28. DOI: 10.1007/s10827-015-0562-8

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Eh, D., Sejnowski, TJ Spettro delle leggi di potenza per i movimenti curvi della mano. (2015) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 112(29):E3950-8. DOI: 10.1073/pnas.1510208112

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Schultz, MD, He, Y., Whitaker, JW, Hariharan, M., Mukamel, EA, Leung, D., Rajagopal, N., Nery, JR, Urich, MA, Chen, H., Lin, S., Lin, Y., Jung, I., Schmitt, AD, Selvaraj, S., Ren, B., Sejnowski, TJ, Wang, W., Ecker, JR Le mappe dell'epigenoma del corpo umano rivelano variazioni non canoniche nella metilazione del DNA. (2015) Natura. 523(7559):212-6. DOI: 10.1038/natura14465

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Lainscsek, C., Weyhenmeyer, J., Sejnowski, TJ, Letellier, C. Scoperta di parametri indipendenti in sistemi dinamici complessi. (2015) Frattali dei Solitoni del Caos. 76:182-189. DOI: 10.1016/j.chaos.2015.04.001

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Mo, A., Mukamel, EA, Davis, FP, Luo, C., Henry, GL, Picard, S., Urich, MA, Nery, JR, Sejnowski, TJ, Lister, R., Eddy, SR, Ecker, JR, Nathans, J. Segni epigenomici della diversità neuronale nel cervello dei mammiferi. (2015) Neuron. 86(6):1369-84. DOI: 10.1016/j.neuron.2015.05.018

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Johnson, T., Bartol, T., Sejnowski, T., Mjolsness, E. Riduzione del modello per la cinetica di reazione stocastica CaMKII nelle sinapsi mediante dinamiche di correlazione vincolate al grafico. (2015) Biologia fisica 12(4):045005. DOI: 10.1088/1478-3975/12/4/045005

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Sejnowski, TJ Vernon Mountcastle: padre delle neuroscienze. (2015) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 112(21):6523-4. DOI: 10.1073/pnas.1506644112

Izpisua Belmonte, JC, Callaway, EM, Caddick, SJ, Churchland, P., Feng, G., Homanics, GE, Lee, KF, Leopold, DA, Miller, CT, Mitchell, JF, Mitalipov, S., Moutri, AR, Movshon, JA, Okano, H., Reynolds, JH, Ringach, D., Sejnowski, TJ, Silva, AC, Strick, PL, Wu, J., Zhang, F. Cervelli, geni e primati. (2015) Neuron. 86(3):617-31. DOI: 10.1016/j.neuron.2015.03.021

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Jorgenson, LA, Newsome, WT, Anderson, DJ, Bargmann, CI, Brown, EN, Deisseroth, K., Donoghue, JP, Hudson, KL, Ling, GS, MacLeish, PR, Marder, E., Normann, RA, Sanes, JR, Schnitzer, MJ, Sejnowski, TJ, Carro armato, DW, Tsien, RY, Ugurbil, K., Wingfield, JC L'iniziativa BRAIN: sviluppare tecnologie per catalizzare le scoperte neuroscientifiche. (2015) Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci. 370(1668). DOI: 10.1098/rstb.2014.0164

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Lainscsek, C., Sejnowski, TJ Analisi differenziale dei ritardi delle serie temporali. (2015) Calcolo neurale. 27(3):594-614. DOI: 10.1162/NECO_a_00706

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L'analisi di sistemi dinamici non lineari basata sulla teoria dell'embedding è stata utilizzata per la modellazione e la previsione, ma trova anche applicazioni per il rilevamento di segnali e la classificazione di serie temporali. Un embedding crea un oggetto geometrico multidimensionale a partire da una singola serie temporale. Tradizionalmente sono stati utilizzati embedding con ritardo o con derivate. L'embedding con ritardo è composto da versioni ritardate del segnale, mentre l'embedding con derivate è composto da derivate successive del segnale. L'embedding con ritardo è stato esteso a embedding non uniformi per tenere conto di più scale temporali. Entrambi gli embedding forniscono informazioni sul sistema dinamico sottostante senza avere accesso diretto a tutte le variabili del sistema. L'analisi differenziale con ritardo si basa su embedding funzionali, una combinazione dell'embedding con derivate e embedding con ritardo non uniformi. I modelli di equazioni differenziali a piccolo ritardo (DDE) che meglio rappresentano le caratteristiche dinamiche rilevanti dei dati delle serie temporali vengono selezionati da un pool di modelli candidati per il rilevamento o la classificazione. Dimostriamo che le proprietà delle DDE supportano l'analisi spettrale nel dominio del tempo, dove funzioni di correlazione non lineari vengono utilizzate per rilevare frequenze, accoppiamenti di frequenza e fase e bispettri. Questi possono essere calcolati in modo efficiente con finestre temporali brevi e sono robusti al rumore. Per l'analisi in frequenza, questo framework è un'estensione multivariata della trasformata di Fourier discreta (DFT) e, per gli spettri di ordine superiore, rappresenta un'alternativa lineare e multivariata alla trasformata di Fourier veloce multidimensionale delle correlazioni multidimensionali. Questo metodo può essere applicato a serie temporali brevi o sparse e può essere esteso a spettri cross-trial e cross-channel se sono disponibili più brevi segmenti di dati dello stesso esperimento. Insieme, questo toolbox nel dominio del tempo fornisce una maggiore risoluzione temporale, maggiori informazioni sugli accoppiamenti di frequenza e fase e consente un'implementazione semplice e diretta di spettri di ordine superiore nel tempo rispetto a metodi basati sulla frequenza come la DFT e l'analisi cross-spectral.

Lainscsek, C., Hernandez, ME, Poizner, H., Sejnowski, TJ Analisi differenziale ritardata dei dati elettroencefalografici. (2015) Calcolo neurale. 27(3):615-27. DOI: 10.1162/NECO_a_00656

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Moldakarimov, S., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Il feedback stabilizza la propagazione dei picchi sincroni nelle reti neurali corticali. (2015) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 112(8):2545-50. DOI: 10.1073/pnas.1500643112

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Tanaka, H., Sejnowski, TJ Adattamento motorio e generalizzazione dei movimenti di raggiungimento mediante primitive motorie basate su coordinate spaziali. (2015) Journal of Neurofisiologia. 113(4):1217-33. DOI: 10.1152/jn.00002.2014

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Il cervello elabora le informazioni sensoriali e motorie in un'ampia gamma di sistemi di coordinate, che vanno dalle coordinate retiniche nella visione alle coordinate centrate sul corpo nelle aree che controllano la muscolatura. Qui ci concentriamo sul sistema di coordinate utilizzato nella corteccia motoria per guidare le azioni ed esaminiamo le prove fisiologiche e psicofisiche di un sistema di riferimento allocentrico basato su coordinate spaziali. Quando le equazioni del moto che governano le dinamiche di raggiungimento sono espresse come vettori spaziali, ogni termine è un prodotto vettoriale tra la posizione di un segmento di arto e una velocità o accelerazione. Estendiamo questo quadro computazionale all'adattamento motorio, in cui i termini del prodotto vettoriale formano basi adattive per annullare le perturbazioni imposte. Si presume che i coefficienti dei prodotti vettoriali dipendenti da velocità e accelerazione subiscano modifiche plastiche per compensare le perturbazioni del campo di forza o visuo-motori. In linea con i risultati sperimentali, ciascuno dei prodotti vettoriali aveva un sistema di riferimento distinto, che prevedeva come una rimappatura acquisita si generalizzasse a una posizione non addestrata nello spazio di lavoro. In risposta al campo di forza o alla rotazione visiva, si sono adattati principalmente i coefficienti dei prodotti incrociati dipendenti dalla velocità o dall'accelerazione, determinando il trasferimento rispettivamente in un sistema di riferimento intrinseco o estrinseco. Il modello ha inoltre previsto che la rimappatura della rotazione visuo-motoria dovrebbe sotto- o sovra-generalizzare in uno spazio di lavoro distale o prossimale. Le basi del prodotto incrociato possono spiegare in modo unificato i distinti modelli di generalizzazione nell'adattamento visuo-motorio e al campo di forza, dimostrando che l'adattamento motorio cinematico e dinamico non deve necessariamente verificarsi attraverso substrati neurali separati.

Frost, WN, Brandon, CJ, Bruno, AM, Humphries, MD, Moore-Kochlacs, C., Sejnowski, TJ, Wang, J., Hill, ES Monitoraggio dell'attività di picco di numerosi neuroni individuali nei gangli degli invertebrati. (2015) Progressi nella medicina sperimentale e nella biologia. 859:127-45. DOI: 10.1007/978-3-319-17641-3_5

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Sejnowski, TJ Coscienza. (2015) Dedalo. 144(1):123-132. DOI: 10.1162/DAED_a_00321

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Ritaccio, A., Brunner, P., Gunduz, A., Hermes, D., Hirsch, LJ, Jacobs, J., Kamada, K., Kastner, S., Knight, RT, Lesser, RP, Miller, K., Sejnowski, T., Worrell, G., Schalk, G. Atti del quinto workshop internazionale sui progressi nell'elettrocorticografia. (2014) Epilessia Behav. 41:183-92. DOI: 10.1016/j.yebeh.2014.09.015

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Regner, BM, Tartakovsky, DM, Sejnowski, TJ Identificazione del comportamento di trasporto delle traiettorie delle singole molecole. (2014) Giornale Biofisico. 107(10):2345-51. DOI: 10.1016/j.bpj.2014.10.005

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Sejnowski, TJ, Churchland, PS, Movshon, JA Utilizzare al meglio i big data nelle neuroscienze. (2014) Nature Neuroscience. 17(11):1440-1. DOI: 10.1038/nn.3839

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Fields, RD, Araque, A., Johansen-Berg, H., Lim, SS, Lynch, G., Nave, KA, Nedergaard, M., Perez, R., Sejnowski, T., Wake, H. Biologia gliale nell'apprendimento e nella cognizione. (2014) Il neuroscienziato. 20(5):426-431. DOI: 10.1177/1073858413504465

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Mak-McCully, RA, Deiss, SR, Rosen, BQ, Jung, KY, Sejnowski, TJ, Bastuji, H., Rey, M., Cash, SS, Bazhenov, M., Halgren, E. La sincronizzazione degli stati inferiori isolati (complessi K) può essere causata dall'interruzione indotta corticale del fuso talamico. (2014) PLOS Biologia Computazionale. 10(9):e1003855. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003855

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I fusi del sonno e i complessi K (KC) definiscono lo stadio 2 del sonno NREM (N2) negli esseri umani. Abbiamo recentemente dimostrato che i KC sono stati isolati caratterizzati da un silenzio corticale diffuso. In questo articolo, dimostriamo che i KC possono essere quasi sincroni attraverso l'EEG del cuoio capelluto e in gran parte della corteccia utilizzando l'elettrocorticografia (ECOG) e le registrazioni transcorticali localizzate (SEEG bipolare). Esaminiamo il meccanismo della produzione sincrona di KC creando il primo modello di rete talamocorticale basato sulla conduttanza del sonno N2 per generare sia fusi spontanei che KC. I KC spontanei si osservano solo quando il modello include proiezioni diffuse da aree prefrontali ristrette al nucleo reticolare talamico (RE), in linea con recenti risultati anatomici nei macachi rhesus. I KC modellati iniziano con una depolarizzazione focale spontanea dei neuroni prefrontali, seguita dalla depolarizzazione del RE. Sorprendentemente, la depolarizzazione del RE porta a una riduzione della scarica dovuta all'interruzione della fusibilità talamica, che a sua volta è dovuta all'inattivazione indotta dalla depolarizzazione della corrente Ca2+ a bassa soglia (IT). Inoltre, sebbene il RE inibisca i neuroni talamocorticali (TC), la riduzione della scarica del RE causa una riduzione della scarica delle cellule TC, sempre a causa dell'interruzione della fusibilità talamica. La conseguente brusca rimozione dell'input eccitatorio ai neuroni piramidali corticali porta quindi allo stato di downstate. Empiricamente, i KC possono anche essere evocati da stimoli sensoriali durante il mantenimento del sonno. Riproduciamo questo fenomeno nel modello mediante la depolarizzazione del RE o dei neuroni prefrontali ad ampia proiezione. Anche in questo caso, l'interruzione della fusibilità talamica gioca un ruolo chiave. Livelli più elevati di stimolazione del RE causano anche stati di downstate, ma inibendo direttamente i neuroni TC. Le registrazioni SEEG del talamo e della corteccia in un singolo paziente hanno dimostrato la previsione del modello secondo cui il fuso talamico diminuisce significativamente prima dell'insorgenza del KC. In conclusione, dimostriamo empiricamente che i KC possono essere downstate corticali quasi sincroni diffusi e dimostriamo, con il primo modello di sonno NREM di stadio 2, un possibile meccanismo attraverso il quale può verificarsi questa sincronia diffusa.

Stefan, MI, Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Kennedy, MB Modellazione multistato delle biomolecole. (2014) PLOS Biologia Computazionale. 10(9):e1003844. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003844

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La modellazione multistato delle biomolecole si riferisce a una serie di tecniche utilizzate per rappresentare e calcolare il comportamento di molecole o complessi biologici che possono adottare un gran numero di possibili stati funzionali. I sistemi di segnalazione biologica si basano spesso su complessi di macromolecole biologiche che possono subire diverse modifiche funzionalmente significative e reciprocamente compatibili. Pertanto, possono esistere in un numero molto elevato di stati funzionalmente diversi. La modellazione di tali sistemi multistato pone due problemi: il problema di come descrivere e specificare un sistema multistato (il "problema della specifica") e il problema di come utilizzare un computer per simulare l'evoluzione del sistema nel tempo (il "problema del calcolo"). Per affrontare il problema della specifica, negli ultimi anni i modellatori si sono allontanati dalla specifica esplicita di tutti i possibili stati e si sono orientati verso formalismi basati su regole che consentono la specifica implicita del modello, tra cui il κ-calcolo, BioNetGen, l'Allosteric Network Compiler e altri. Per affrontare il problema computazionale, si sono rivolti a metodi basati su particelle che in molti casi si sono dimostrati più efficienti dal punto di vista computazionale rispetto ai metodi basati sulla popolazione, basati su equazioni differenziali ordinarie, equazioni differenziali parziali o l'algoritmo di simulazione stocastica di Gillespie. Data l'attuale tecnologia informatica, i metodi basati su particelle sono talvolta l'unica opzione possibile. I simulatori basati su particelle rientrano in due ulteriori categorie: simulatori non spaziali, come StochSim, DYNSTOC, RuleMonkey e il Network-Free Stochastic Simulator (NFSim), e simulatori spaziali, tra cui Meredys, SRSim e MCell. I modellatori possono quindi scegliere tra una varietà di strumenti, la scelta migliore a seconda del problema specifico. È in corso lo sviluppo di metodi più rapidi e potenti, che promettono la possibilità di simulare processi di segnalazione sempre più complessi in futuro.

Moldakarimov, S., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Gli input dall'alto verso il basso migliorano la selettività dell'orientamento nei neuroni della corteccia visiva primaria durante l'apprendimento percettivo. (2014) PLOS Biologia Computazionale. 10(8):e1003770. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003770

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Lee, HS, Ghetti, A., Pinto-Duarte, A., Wang, X., Dziewczapolski, G., Galimi, F., Huitron-Resendiz, S., Piña-Crespo, JC, Roberts, AJ, Verma, IM, Sejnowski, TJ, Heinemann, SF Gli astrociti contribuiscono alle oscillazioni gamma e alla memoria di riconoscimento. (2014) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 111(32):E3343-52. DOI: 10.1073/pnas.1410893111

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Weyhenmeyer, J., Hernandez, ME, Lainscsek, C., Sejnowski, TJ, Poizner, H. Gli artefatti muscolari nei dati EEG di un singolo studio distinguono i pazienti affetti dal morbo di Parkinson dagli individui sani. (2014) Conf. Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2014:3292-3295. DOI: 10.1109/EMBC.2014.6944326

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Broccard, FD, Mullen, T., Chi, YM, Peterson, D., Iversen, JR, Arnold, M., Kreutz-Delgado, K., Jung, TP, Makeig, S., Poizner, H., Sejnowski, T., Cauwenberghs, G. Interfacce cervello-macchina-corpo a circuito chiuso per la riabilitazione non invasiva dei disturbi del movimento. (2014) Ann Biomed Ing. 42(8):1573-1593. DOI: 10.1007/s10439-014-1032-6

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Saremi, S., Sejnowski, TJ Sulla criticità nei dati ad alta dimensionalità. (2014) Calcolo neurale. 26(7):1329-1339. DOI: 10.1162/NECO_a_00607

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Solstad, T., Yousif, HN, Sejnowski, TJ Rimappatura della frequenza cellulare tramite collaterali ricorrenti CA3. (2014) PLOS Biologia Computazionale. 10(6):e1003648. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003648

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Si ritiene che la memoria di tipo episodico sia supportata dalla dinamica degli attrattori nell'ippocampo. Un possibile substrato neurale per questo meccanismo di memoria è la rimappatura della frequenza, in cui la mappa spaziale delle cellule di luogo codifica le informazioni contestuali attraverso la variabilità della frequenza di scarica. Per verificare se i ricordi siano immagazzinati come attrattori multimodali in popolazioni di cellule di luogo, recenti esperimenti hanno trasformato un contesto familiare in un altro, osservando le risposte di insiemi di cellule CA3. È stato riportato che l'attività media della popolazione in CA3 transitava gradualmente, piuttosto che bruscamente, da un contesto familiare all'altro, suggerendo una mancanza di forze attrattive associate alle due rappresentazioni immagazzinate. D'altra parte, le singole cellule CA3 hanno mostrato un mix di transizioni graduali e brusche in diversi punti lungo la sequenza di morph, e alcune hanno mostrato isteresi, che è una caratteristica della dinamica degli attrattori. Per capire se questi risultati apparentemente contrastanti siano commisurati alla teoria delle reti attrattorie, abbiamo sviluppato un modello di rete neurale della CA3 con attrattori sia per la posizione che per i contesti discreti. Abbiamo scoperto che, per i ricordi immagazzinati in insiemi neurali sovrapposti all'interno di una singola mappa spaziale, gli attrattori di contesto dipendenti dalla posizione effettuavano transizioni in punti diversi lungo la sequenza di morph. Curve di transizione uniformi derivavano dalla media sulla popolazione, mentre un insieme eterogeneo di risposte è stato osservato a livello di singola unità. Al contrario, i ricordi ortogonali portavano a transizioni brusche e coerenti sia a livello di popolazione che di singola unità, come osservato sperimentalmente durante la rimappatura tra due mappe spaziali indipendenti. Un feedback ricorrente intenso comportava un effetto isteretico sulla rete che diminuiva con l'entità della sovrapposizione nei ricordi immagazzinati. Questi risultati suggeriscono che la memoria dipendente dal contesto può essere supportata dalla sovrapposizione di attrattori locali all'interno di una mappa spaziale di cellule di posizione CA3. Meccanismi simili per la memoria dipendente dal contesto possono essere riscontrati anche in altre regioni della corteccia cerebrale.

Sejnowski, TJ Riepilogo: Cognizione nel 2014. (2014) Simposi di biologia quantitativa a Cold Spring Harbor. 79:237-41. DOI: 10.1101/sqb.2014.79.024885

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Sejnowski, TJ, Poizner, H., Lynch, G., Gepshtein, S., Greenspan, RJ Ottimizzazione prospettica. (2014) Atti dell'IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 102(5). DOI: 10.1109/JPROC.2014.2314297

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Jadi, deputato, Sejnowski, TJ Le oscillazioni corticali derivano da interazioni contestuali che regolano la codifica sparsa. (2014) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 111(18):6780-5. DOI: 10.1073/pnas.1405300111

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McDonnell, MD, Boahen, K., Ijspeert, A., Sejnowski, TJ Progettazione di sistemi elettronici intelligenti basati sulla neuroscienza computazionale. (2014) Atti dell'IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 102(5):646-651. DOI: 10.1109/JPROC.2014.2314776

Jadi, deputato, Sejnowski, TJ Regolazione delle oscillazioni corticali in una rete stabilizzata dall'inibizione. (2014) Atti dell'IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 102(5). DOI: 10.1109/JPROC.2014.2313113

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Comprendere l'architettura anatomica e funzionale del cervello è essenziale per progettare sistemi intelligenti basati su neuroni. Studi teorici ed empirici suggeriscono un ruolo delle oscillazioni a banda stretta nel plasmare l'architettura funzionale del cervello attraverso il loro ruolo nella codifica e nella comunicazione delle informazioni. Tali oscillazioni sono segnali onnipresenti nell'attività elettrica registrata dal cervello. Nella corteccia, le oscillazioni rilevate nell'intervallo gamma (30-80 Hz) sono modulate da stati comportamentali e caratteristiche sensoriali in modi complessi. Come si ottiene questa regolazione? Sebbene siano stati proposti diversi principi alla base della genesi di queste oscillazioni, una spiegazione unificante per la loro regolazione è rimasta sfuggente. In una rete di neuroni eccitatori e inibitori che operano in un regime stabilizzato dall'inibizione, mostriamo che risposte fortemente superlineari dei neuroni inibitori facilitano la regolazione bidirezionale della frequenza e della potenza delle oscillazioni. In una tale rete, l'equilibrio degli impulsi alle popolazioni eccitatorie e inibitorie determina il modo in cui vengono modulate la potenza e la frequenza delle oscillazioni. Il modello spiega l'enigmatico aumento della loro frequenza in relazione alla salienza degli stimoli visivi e la loro diminuzione in relazione alle loro dimensioni. Le oscillazioni nel nostro modello si intensificano al diminuire del livello medio di attivazione, spiegando la dipendenza dalle dimensioni dei ritmi gamma evocati visivamente e suggerendo un ruolo delle oscillazioni nel migliorare il rapporto segnale/rumore (SNR) dei segnali nel cervello. Testare empiricamente tali previsioni è ancora impegnativo e l'implementazione delle strategie di codifica e comunicazione proposte nei sistemi neuromorfici potrebbe contribuire alla nostra comprensione del sistema biologico.

O'Donnell, C., Sejnowski, TJ Generalizzazione selettiva della memoria mediante la modellazione spaziale della sintesi proteica. (2014) Neuron. 82(2):398-412. DOI: 10.1016/j.neuron.2014.02.028

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Edwards, J., Daniel, E., Kinney, J., Bartol, T., Sejnowski, T., Johnston, D., Harris, K., Bajaj, C. VolRoverN: miglioramento della ricostruzione superficiale e volumetrica per una simulazione dinamica realistica delle funzioni cellulari e subcellulari. (2014) Neuroinformatica. 12(2):277-289. DOI: 10.1007/s12021-013-9205-2

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Yang, L., Leung, H., Peterson, DA, Sejnowski, TJ, Poizner, H. Verso un'interfaccia cervello-computer EEG semi-autogestita: decodifica dello stato di inizio dallo stato di non inizio in intervalli di tempo dedicati. (2014) PLOS One. 9(2):e88915. DOI: 10.1371/journal.pone.0088915

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Le interfacce cervello-computer (BCI) offrono a un'ampia categoria di individui con disabilità neurologiche un mezzo alternativo per interagire con l'ambiente. Molte BCI sono sistemi "sincroni", in cui il sistema imposta il momento dell'interazione e cerca di dedurre quale comando di controllo il soggetto stia impartendo a ogni sollecitazione. Al contrario, nelle BCI "asincrone" i soggetti scandiscono il ritmo dell'interazione e il sistema deve determinare quando viene impartito il comando di controllo del soggetto. In questo articolo proponiamo una nuova idea per le BCI che sfrutta i punti di forza di entrambi gli approcci. I soggetti sono scanditi esternamente e la BCI è in grado di determinare quando vengono impartiti i comandi di controllo decodificando l'intenzione del soggetto di iniziare il controllo in intervalli di tempo dedicati. È stato progettato un singolo compito con prove intervallate casualmente per verificare se può essere utilizzato come stimolo per indurre stati di iniziazione e non di iniziazione quando i requisiti sensoriali e motori per i due tipi di prove sono pressoché identici. Inoltre, è stato studiato il problema essenziale della discriminazione tra stato di iniziazione e stato di non iniziazione. Abbiamo testato la capacità della potenza spettrale EEG di distinguere tra questi due stati. Tra le quattro bande di frequenza EEG standard, la potenza della banda beta registrata sulle cortecce parieto-occipitali ha fornito le migliori prestazioni, raggiungendo un'accuratezza media dell'86% per la corretta classificazione degli stati di inizio e di non inizio. Inoltre, la potenza della banda delta registrata sulle aree parietali e motorie ha prodotto buone prestazioni e potrebbe quindi essere utilizzata come caratteristica alternativa per discriminare questi due stati mentali. I risultati dimostrano la fattibilità della nostra idea proposta per un design di BCI basato sulle caratteristiche EEG convenzionali. La nostra proposta offre il potenziale per mitigare le sfide di rilevamento del segnale delle BCI completamente asincrone, offrendo al contempo una maggiore flessibilità al soggetto rispetto alle BCI sincroniche tradizionali.

Lainscsek, C., Weyhenmeyer, J., Hernandez, ME, Poizner, H., Sejnowski, TJ Classificazione dinamica non lineare di serie temporali brevi del sistema Rössler in regimi di rumore elevato. (2013) Frontiere in neurologia. 4:182. DOI: 10.3389/fneur.2013.00182

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L'analisi delle serie temporali con equazioni differenziali a ritardo (DDE) rivela proprietà non lineari del sistema dinamico sottostante e può fungere da strumento di classificazione non lineare nel dominio del tempo. In questo articolo, modelli DDE globali sono stati utilizzati per analizzare brevi segmenti di serie temporali simulate da un sistema dinamico noto, il sistema di Rössler, in regimi di rumore elevato. In un articolo correlato, applichiamo il modello DDE sviluppato qui per classificare brevi segmenti di dati encefalografici (EEG) registrati da pazienti con malattia di Parkinson e soggetti sani. Nove soggetti simulati in ciascuna delle due classi distinte sono stati generati variando il parametro di biforcazione b e mantenendo fissi gli altri due parametri (a e c) del sistema di Rössler. Tutte le scelte di b rientravano nell'intervallo dei parametri caotici. Abbiamo diluito i dati simulati utilizzando rumore bianco con rapporti segnale/rumore (SNR) compresi tra 10 e -30 dB. La selezione della struttura è stata supervisionata selezionando il numero di termini, i ritardi e l'ordine di non linearità del modello DDE che meglio separava linearmente le due classi di dati. Le distanze d dall'iperpiano di divisione lineare sono state quindi utilizzate per valutare le prestazioni di classificazione calcolando l'area A' sotto la curva ROC. Il modello selezionato è stato testato su dati non addestrati utilizzando la convalida ripetuta del sottocampionamento casuale. I DDE sono stati in grado di distinguere accuratamente le due condizioni dinamiche e, inoltre, di quantificare le variazioni nella dinamica. È stata riscontrata una correlazione significativa tra il parametro di biforcazione dinamica b dei dati simulati e il parametro di classificazione d della nostra analisi. Questa correlazione è rimasta valida per i nuovi soggetti simulati con nuovi parametri dinamici selezionati da ciascuno dei due regimi dinamici. Inoltre, la correlazione è risultata robusta al rumore aggiunto, risultando significativa anche quando il rumore era maggiore del segnale. Concludiamo che i modelli DDE possono essere utilizzati come strumento di classificazione generalizzabile e affidabile anche per piccoli segmenti di dati rumorosi.

Lainscsek, C., Hernandez, ME, Weyhenmeyer, J., Sejnowski, TJ, Poizner, H. L'analisi dinamica non lineare delle serie temporali dell'EEG distingue i pazienti affetti dal morbo di Parkinson dagli individui sani. (2013) Frontiere in neurologia. 4:200. DOI: 10.3389/fneur.2013.00200

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È noto che la fisiopatologia del morbo di Parkinson (MP) coinvolge modelli alterati di attivazione e sincronizzazione neuronale nei circuiti cortico-gangli della base. Una finestra sulla natura delle dinamiche temporali aberranti nella corteccia cerebrale dei pazienti con MP può venire dall'analisi dell'elettroencefalografia (EEG) dei pazienti. Anziché utilizzare metodi basati sullo spettro, abbiamo utilizzato modelli di dati basati su equazioni differenziali a ritardo (DDE) come strumenti di classificazione non lineare nel dominio del tempo per analizzare le registrazioni EEG di pazienti con MP in terapia dopaminergica e non in terapia e di individui sani. Sono state registrate due serie di 50 segmenti da 1 secondo di attività EEG a 64 canali da nove pazienti con MP in terapia farmacologica e non in terapia e da nove controlli di pari età. I 64 canali EEG sono stati raggruppati in 10 cluster che coprono le regioni cerebrali frontale, centrale, parietale e occipitale per l'analisi. I modelli DDE sono stati adattati a singoli studi e i coefficienti e l'errore del modello sono stati utilizzati come caratteristiche per la classificazione. I modelli migliori sono stati selezionati utilizzando la convalida del sottocampionamento casuale ripetuto e le prestazioni di classificazione sono state misurate utilizzando l'area sotto la curva ROC A'. In un articolo correlato, mostriamo che le DDE possono scoprire strutture dinamiche nascoste da brevi segmenti di serie temporali simulate di sistemi dinamici noti in regimi di rumore elevato. Utilizzando lo stesso metodo per trovare i modelli migliori, abbiamo scoperto che anche brevi segmenti di dati EEG in pazienti con PD e controlli contenevano una struttura dinamica e, inoltre, che i pazienti con PD mostravano un intervallo dinamico maggiore rispetto ai controlli. L'output del modello DDE sulle medie di un set di 50 studi ha fornito una separazione quasi completa dei pazienti con PD senza farmaci dai controlli: nelle diverse regioni cerebrali, l'area sotto le curve ROC, A', variava da 0.95 a 1.0. Per distinguere i pazienti con PD in terapia farmacologica da quelli senza, la prestazione di classificazione A' variava da 0.86 a 1.0 nelle diverse regioni cerebrali. Inoltre, la generalizzabilità del modello al secondo set di 50 studi è stata eccellente, con A' che variava da 0.81 a 0.94 nelle diverse regioni cerebrali per i controlli rispetto ai pazienti con PD senza farmaci, e da 0.62 a 0.82 per i pazienti con PD in terapia farmacologica rispetto a quelli senza farmaci. Infine, le caratteristiche del modello hanno previsto in modo significativo la gravità motoria dei singoli pazienti, valutata con scale di valutazione cliniche standard.

Cortes, JM, Desroches, M., Rodrigues, S., Veltz, R., Muñoz, MA, Sejnowski, TJ La plasticità sinaptica a breve termine nel modello deterministico di Tsodyks-Markram porta a dinamiche di rete imprevedibili. (2013) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 110(41):16610-5. DOI: 10.1073/pnas.1316071110

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Timofeev, I., Sejnowski, TJ, Bazhenov, M., Chauvette, S., Grand, LB Dipendenza dall'età dell'epilettogenesi neocorticale indotta da trauma. (2013) Frontiere della neuroscienza cellulare. 7:154. DOI: 10.3389/fncel.2013.00154

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Lister, R.*, Mukamel, EA, Nery, JR, Urich, M., Puddifoot, CA, Johnson, ND, Lucero, J., Huang, Y., Dwork, AJ, Schultz, MD, Yu, M., Tonti-Filippini, J., Heyn, H., Hu, S., Wu, JC, Rao, A., Esteller, M., He, C., Haghighi, FG, Sejnowski, TJ, Behrens, MM*, Ecker, JR* Riconfigurazione epigenomica globale durante lo sviluppo del cervello dei mammiferi. (2013) Scienza. 341(6146):1237905. DOI: 10.1126/science.1237905

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Golomb, BA, Brenner, S., Chalfie, M., Glashow, SL, Glauber, RJ, Hubel, DH, Maskin, ES, Greengard, P., Gross, DJ, Roberts, R., Tonegawa, S., Wilczek, FA, Brown, EM, Sejnowski, TJ Le abitudini dei premi Nobel in fatto di cioccolato. (2013) Natura. 499(7459):409. DOI: 10.1038/499409a

Lainscsek, C., Sejnowski, TJ Classificazione dell'elettrocardiogramma mediante equazioni differenziali ritardate. (2013) Caos. 23(2):023132. DOI: 10.1063/1.4811544

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Ji, B., Wang, X., Pinto-Duarte, A., Kim, M., Caldwell, S., Young, JW, Behrens, MM, Sejnowski, TJ, Geyer, MA, Zhou, X. Effetti prolungati della ketamina nei topi ipomorfi Sp4: imitazione dei fenotipi della schizofrenia. (2013) PLOS One. 8(6):e66327. DOI: 10.1371/journal.pone.0066327

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Chukoskie, L., Snider, J., Mozer, MC, Krauzlis, RJ, Sejnowski, TJ Imparare dove cercare un bersaglio nascosto. (2013) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 110 Supplemento: 10438-10445. DOI: 10.1073/pnas.1301216110

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La sopravvivenza dipende dalla ricerca di cibo, per la quale l'evoluzione ha selezionato comportamenti diversi nelle diverse specie. Gli esseri umani cercano cibo non solo per procurarsi cibo, ma anche per ottenere informazioni. Decidiamo dove guardare oltre 170,000 volte al giorno, circa tre volte al secondo di veglia. La frequenza di questi movimenti oculari saccadici smentisce la complessità alla base di ogni scelta individuale. L'esperienza influenza la scelta di dove guardare e può essere invocata per reindirizzare rapidamente lo sguardo in modo appropriato al contesto e al compito. Tuttavia, si sa incredibilmente poco su come gli individui imparino a dirigere lo sguardo in base al contesto e al compito corrente. Abbiamo progettato un compito in cui i partecipanti cercavano in una nuova scena un bersaglio la cui posizione veniva disegnata in modo stocastico in ogni prova da una distribuzione a priori fissa. Il bersaglio era invisibile su uno schermo vuoto e i partecipanti venivano ricompensati quando fissavano la posizione del bersaglio nascosto. In poche prove, i partecipanti trovavano rapidamente i bersagli nascosti guardando vicino alle posizioni precedentemente premiate ed evitando quelle precedentemente non premiate. Le traiettorie di apprendimento sono state ben caratterizzate da un semplice modello di apprendimento per rinforzo (RL) che ha mantenuto e aggiornato continuamente una mappa di ricompensa delle posizioni. Il modello RL ha fatto ulteriori previsioni sulla sensibilità all'esperienza recente, confermate dai dati. La prestazione asintotica sia dei partecipanti che del modello RL si è avvicinata alla prestazione ottimale, caratterizzata da una teoria dell'osservatore ideale. Questi due livelli complementari di spiegazione mostrano come l'esperienza in un ambiente nuovo guidi la ricerca visiva negli esseri umani e possa estendersi ad altre forme di ricerca, come la ricerca di cibo negli animali.

Stiefel, KM, Englitz, B., Sejnowski, TJ Origine della scarica irregolare intrinseca nei neuroni interneuronali corticali. (2013) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 110(19):7886-7891. DOI: 10.1073/pnas.1305219110

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Gire, DH, Restrepo, D., Sejnowski, TJ, Greer, C., De Carlos, JA, Lopez-Mascaraque, L. Elaborazione temporale nel sistema olfattivo: possiamo vedere un odore? (2013) Neuron. 78(3):416-432. DOI: 10.1016/j.neuron.2013.04.033

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Saremi, S., Sejnowski, TJ, Sharpee, TO I filtri a doppio Gabor sono componenti indipendenti di piccole patch di immagini invarianti alla traslazione. (2013) Calcolo neurale. 25(4):922-39. DOI: 10.1162/NECO_a_00418

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Wang, X., Pinto-Duarte, A., Sejnowski, TJ, Behrens, MM In che modo la NADPH ossidasi contenente Nox2 influenza i circuiti corticali nel modello antagonista del recettore NMDA della schizofrenia. (2013) Antiossidanti e segnalazione redox. 18(12):1444-62. DOI: 10.1089/ars.2012.4907

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Regner, BM, Vučinić, D., Domnisoru, C., Bartol, TM, Hetzer, MW, Tartakovsky, DM, Sejnowski, TJ Diffusione anomala di singole particelle nel citoplasma. (2013) Giornale Biofisico. 104(8):1652-60. DOI: 10.1016/j.bpj.2013.01.049

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Alivisatos, AP, Andrews, AM, Boyden, ES, Chun, M., Church, GM, Deisseroth, K., Donoghue, JP, Fraser, SE, Lippincott-Schwartz, J., Looger, LL, Masmanidis, S., McEuen, PL, Nurmikko, AV, Park, H., Peterka, DS, Reid, C., Roukes, ML, Scherer, A., Schnitzer, M., Sejnowski, TJ, Shepard, KL, Tsao, D., Turrigiano, G., Weiss, PS, Xu, C., Yuste, R., Zhuang, X. Nanostrumenti per le neuroscienze e la mappatura dell'attività cerebrale. (2013) ACS Nano. 7(3):1850-66. DOI: 10.1021/nn4012847

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Alivisatos, AP, Chun, M., Church, GM, Deisseroth, K., Donoghue, JP, Greenspan, RJ, McEuen, PL, Roukes, ML, Sejnowski, TJ, Weiss, PS, Yuste, R. Neuroscienze. La mappa dell'attività cerebrale. (2013) Scienza. 339(6125):1284-5. DOI: 10.1126/science.1236939

Saremi, S., Sejnowski, TJ Modello gerarchico delle immagini naturali e origine dell'invarianza di scala. (2013) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 110(8):3071-3076. DOI: 10.1073/pnas.1222618110

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Tanaka, H., Sejnowski, TJ Calcolo della dinamica di raggiungimento nella corteccia motoria con coordinate spaziali cartesiane. (2013) Journal of Neurofisiologia. 109(4):1182-1201. DOI: 10.1152/jn.00279.2012

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Kinney, JP, Spacek, J., Bartol, TM, Bajaj, CL, Harris, KM, Sejnowski, TJ I fogli e i tunnel extracellulari modulano la diffusione del glutammato nel neuropilo dell'ippocampo. (2013) Journal of Comparative Neurology. 521(2):448-464. DOI: 10.1002/cne.23181

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Srinivasan, L., Asaad, WF, Ginat, DT, Gale, JT, Dougherty, DD, Williams, ZM, Sejnowski, TJ, Eskandar, EN Inizio dell'azione nella corteccia cingolata anteriore dorsale dell'uomo. (2013) PLOS One. 8(2):e55247. DOI: 10.1371/journal.pone.0055247

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Volman, V., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Dividi et impera: la segregazione funzionale degli input sinaptici da parte dei microdomini astrocitici potrebbe alleviare l'attività parossistica successiva a un trauma cerebrale. (2013) PLOS Biologia Computazionale. 9(1):e1002856. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1002856

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Toups, JV, Fellous, JM, Thomas, PJ, Sejnowski, TJ, Tiesinga, PH Nei punti di biforcazione della dinamica del potenziale di membrana si verificano molteplici schemi di picchi temporali. (2012) PLOS Biologia Computazionale. 8(10):e1002615. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1002615

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Catterall, WA, Raman, IM, Robinson, HP, Sejnowski, TJ, Paulsen, O. L'eredità Hodgkin-Huxley: dai canali ai circuiti. (2012) Journal of Neuroscience. 32(41):14064-14073. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3403-12.2012

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Nadkarni, S., Bartol, TM, Stevens, CF, Sejnowski, TJ, Levine, H. La plasticità a breve termine limita l'organizzazione spaziale di un terminale presinaptico dell'ippocampo. (2012) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 109(36):14657-14662. DOI: 10.1073/pnas.1211971109

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Volman, V., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Modelli computazionali dell'interazione neuroni-astrociti nell'epilessia. (2012) Frontiere nelle neuroscienze computazionali. 6:58. DOI: 10.3389/fncom.2012.00058

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Bonjean, M., Baker, T., Bazhenov, M., Cash, S., Halgren, E., Sejnowski, T. Interazioni tra le proiezioni talamocorticali del nucleo e della matrice nella sincronizzazione del fuso del sonno umano. (2012) Journal of Neuroscience. 32(15):5250-5263. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.6141-11.2012

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Tanaka, H., Krakauer, JW, Sejnowski, TJ Generalizzazione e modelli multi-frequenza dell'adattamento motorio. (2012) Calcolo neurale. 24(4):939-966. DOI: 10.1162/NECO_a_00262

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Quando i soggetti adattano i loro movimenti di raggiungimento in presenza di una forza sistematica o di una perturbazione visiva, la generalizzazione dell'adattamento può essere valutata psicofisicamente in due modi: testando posizioni non allenate nello spazio di lavoro al termine dell'adattamento (generalizzazione lenta post-adattamento) o determinando l'influenza di un errore sulla prova successiva durante l'adattamento (generalizzazione rapida prova per prova). Queste due misure di generalizzazione sono state ampiamente utilizzate negli studi psicofisici, ma la ragione per cui potrebbero differire non è stata affrontata esplicitamente. Il nostro obiettivo era sviluppare un framework computazionale per determinare quando un modello a due stati è giustificato dai dati ed esplorare le implicazioni di questi due tipi di generalizzazione per le rappresentazioni neurali dei movimenti. Abbiamo inizialmente studiato, per l'apprendimento a bersaglio singolo, quanto bene le procedure di selezione dei modelli statistici standard possano discriminare i modelli a due processi dai modelli a processo singolo quando i coefficienti di apprendimento e ritenzione venivano variati sistematicamente. Abbiamo quindi costruito un modello a due stati per l'apprendimento multitarget e dimostrato che, se un processo di adattamento è effettivamente a due velocità, l'approccio di generalizzazione post-adattamento indaga principalmente il processo lento, mentre l'approccio di generalizzazione prova per prova è più informativo sul processo veloce. Il processo veloce, a causa della sua forte sensibilità all'errore di prova, contribuisce prevalentemente alla generalizzazione prova per prova, mentre la forte ritenzione del sistema lento contribuisce prevalentemente alla generalizzazione post-adattamento. Pertanto, quando si può dimostrare che l'adattamento è a due velocità, le due misure di generalizzazione possono indagare diverse rappresentazioni cerebrali della direzione del movimento.

Ramirez-Moreno, DF, Sejnowski, TJ Un modello computazionale per la modulazione dell'inibizione prepulsiva del riflesso di sussulto acustico. (2012) Biol Cybern. 106(3):169-176. DOI: 10.1007/s00422-012-0485-7

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Powell, SB, Sejnowski, TJ, Behrens, MM Conseguenze comportamentali e neurochimiche dello stress ossidativo corticale sulla maturazione dei parvalbumina-interneuroni nei modelli di schizofrenia nei roditori. (2012) Neurofarmacologia. 62(3):1322-31. DOI: 10.1016/j.neuropharm.2011.01.049

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Volman, V., Behrens, MM, Sejnowski, TJ La downregulation della parvalbumina nelle sinapsi GABA corticali riduce l'attività oscillatoria gamma della rete. (2011) Journal of Neuroscience. 31(49):18137-48. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3041-11.2011

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Coggan, JS, Ocker, GK, Sejnowski, TJ, Prescott, SA Spiegazione dei cambiamenti patologici nell'eccitabilità assonale attraverso l'analisi dinamica dei modelli basati sulla conduttanza. (2011) J Neural Ing. 8(6):065002. DOI: 10.1088/1741-2560/8/6/065002

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Wei, H., Bonjean, M., Petry, HM, Sejnowski, TJ, Bickford, ME Propensione all'attivazione di raffiche talamiche: un confronto tra i nuclei genicolato dorsale laterale e pulvinare nella tupaia. (2011) Journal of Neuroscience. 31(47):17287-17299. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.6431-10.2011

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I neuroni relè nei nuclei talamici dorsali possono generare raffiche di potenziali d'azione ad alta frequenza che cavalcano la cresta delle correnti di calcio transitorie voltaggio-dipendenti (di tipo T) [picco a bassa soglia (LTS)]. Per esplorare le potenziali caratteristiche nucleo-specifiche del burst, abbiamo confrontato le proprietà di membrana dei neuroni relè del nucleo genicolato laterale dorsale (dLGN) e del nucleo del pulvinar utilizzando la registrazione in vitro di cellule intere in sezioni di tessuto di tupaia (Tupaia) giovanile e adulta. Abbiamo iniettato rampe di corrente di pendenza variabile in neuroni sufficientemente iperpolarizzati da disattivare i canali del calcio di tipo T. In una piccola percentuale di neuroni giovanili del pulvinar e dLGN, non è stato possibile evocare un LTS. Nei restanti neuroni giovanili e in tutti i neuroni adulti del dLGN, è stato possibile evocare un singolo LTS tramite rampe di corrente. Tuttavia, nel pulvinar adulto, le rampe di corrente hanno evocato molteplici LTS in oltre il 70% dei neuroni registrati. Utilizzando immunoistochimica, tecniche di Western blot, stereologia imparziale e microscopia confocale ed elettronica, abbiamo scoperto che i neuroni del pulvinar esprimevano più canali del calcio di tipo T (Ca(v) 3.2) e più canali del potassio a piccola conduttanza (SK2) rispetto ai neuroni del dLGN e che il nucleo del pulvinar conteneva un rapporto glia-neurone più elevato rispetto al dLGN. Modelli compartimentali di tipo Hodgkin-Huxley hanno rivelato che le distinte modalità di scarica potevano essere replicate manipolando la densità, la distribuzione e la cinetica dei canali del calcio di tipo T e SK2. Le proprietà intrinseche dei neuroni del pulvinar che promuovono la scarica a raffica nell'adulto potrebbero essere rilevanti per il trattamento di condizioni che comportano l'insorgenza in età adulta di interazioni talamocorticali aberranti.

Brenner, S., Sejnowski, TJ Capire il cervello umano. (2011) Scienza. 334(6056):567. DOI: 10.1126/science.1215674

Volman, V., Sejnowski, TJ, Bazhenov, M. Basi topologiche dell'epilettogenesi in un modello di trauma corticale grave. (2011) Journal of Neurofisiologia. 106(4):1933-1942. DOI: 10.1152/jn.00458.2011

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Yu, T., Sejnowski, TJ, Cauwenberghs, G. Dinamica biofisica di picchi, scoppi ed eccitabilità neurali in VLSI analogici riconfigurabili. (2011) Sistema di circuiti trans-biomedici IEEE. 5(5):420-429. DOI: 10.1109/TBCAS.2011.2169794

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Volman, V., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Il modello del trauma determina la soglia per l'attività epilettica in un modello di deafferentazione corticale. (2011) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 108(37):15402-15407. DOI: 10.1073/pnas.1112066108

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Dang-Vu, TT, Bonjean, M., Schabus, M., Boly, M., Darsaud, A., Desseilles, M., Degueldre, C., Balteau, E., Phillips, C., Luxen, A., Sejnowski, TJ, Maquet, P. Interazione tra attività cerebrale spontanea e indotta durante il sonno non-REM. (2011) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 108(37):15438-15443. DOI: 10.1073/pnas.1112503108

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Toups, JV, Fellous, JM, Thomas, PJ, Sejnowski, TJ, Tiesinga, PH Trovare la struttura degli eventi dei treni di impulsi neuronali. (2011) Calcolo neurale. 23(9):2169-2208. DOI: 10.1162/NECO_a_00173

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Bonjean, M., Baker, T., Lemieux, M., Timofeev, I., Sejnowski, T., Bazhenov, M. Il feedback corticotalamico controlla la durata del fuso del sonno in vivo. (2011) Journal of Neuroscience. 31(25):9124-9134. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0077-11.2011

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Romani, S., Sejnowski, TJ, Tsodyks, M. Dinamica intracellulare delle cellule dei luoghi virtuali. (2011) Calcolo neurale. 23(3):651-5. DOI: 10.1162/NECO_a_00087

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Peterson, DA, Lotz, DT, Halgren, E., Sejnowski, TJ, Poizner, H. La scelta modula le dinamiche neurali dell'elaborazione degli errori di previsione durante l'apprendimento premiato. (2011) Neuroimage. 54(2):1385-1394. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2010.09.051

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La nostra capacità di interagire selettivamente con l'ambiente circostante ci consente di orientare il nostro apprendimento e di trarne vantaggio. Di fronte a molteplici azioni possibili, le nostre scelte rappresentano un aspetto fondamentale dell'apprendimento. Nel caso dell'apprendimento tramite feedback gratificante, si sono registrati notevoli progressi teorici ed empirici nell'interpretazione dei processi comportamentali e neurali associati, principalmente in termini di errore di predizione della ricompensa, una misura della discrepanza tra ricompensa effettiva e attesa. Tuttavia, la specifica influenza della scelta sull'elaborazione dell'errore di predizione e sulle sue dinamiche neurali rimane relativamente inesplorata. In questo studio abbiamo utilizzato un nuovo paradigma per determinare in che modo la scelta influenzi l'elaborazione dell'errore di predizione e per esaminare se esistano dinamiche neurali distinte. Abbiamo registrato un elettroencefalogramma del cuoio capelluto mentre ad adulti sani veniva somministrato un compito di apprendimento gratificato in cui le prove di scelta venivano intervallate da prove di controllo che prevedevano gli stessi stimoli, risposte motorie e ricompense probabilistiche. Abbiamo utilizzato un modello di apprendimento basato sulla differenza temporale delle scelte dei soggetti, prova per prova, per dedurre le valutazioni delle immagini dei soggetti e i corrispondenti errori di predizione. Come previsto, le scelte sono state associate a minori magnitudini di errore di predizione complessive, in particolare nel corso dell'apprendimento delle contingenze stimolo-ricompensa. Le scelte hanno anche indotto una positività relativa di ampiezza maggiore nel potenziale evento-correlato frontocentrale circa 200 ms dopo l'inizio del segnale di ricompensa, che era negativamente correlata con l'effetto differenziale della scelta sull'errore di predizione. Pertanto, la scelta influenza le dinamiche neurali associate al modo in cui i segnali di ricompensa vengono elaborati durante l'apprendimento. I modelli comportamentali, computazionali e neurobiologici dell'apprendimento ricompensato dovrebbero quindi tenere conto di una distinta influenza della scelta durante l'apprendimento ricompensato.

Timofeev I., Bazhenov M., Seigneur J., Sejnowski, T. Sincronizzazione neocorticale. (2010) Epilessia. 51(Suppl 5):18. DOI: 10.1111/j.1528-1167.2010.02804.x

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Hill, ES, Moore-Kochlacs, C., Vasireddi, SK, Sejnowski, TJ, Frost, WN Validazione dell'analisi dei componenti indipendenti per un rapido ordinamento dei picchi dei dati di registrazione ottica. (2010) Journal of Neurofisiologia. 104(6):3721-3731. DOI: 10.1152/jn.00691.2010

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L'analisi delle componenti indipendenti (ICA) è una tecnica che può essere utilizzata per estrarre i segnali sorgente da insiemi di miscele di segnali in cui le sorgenti stesse sono sconosciute. L'analisi di registrazioni ottiche di reti neuronali di invertebrati con coloranti sensibili alla tensione rapida potrebbe trarre grandi benefici dall'ICA. Questi esperimenti possono generare centinaia di tracce di tensione contenenti registrazioni sia ridondanti che miste di potenziali d'azione originati da un numero sconosciuto di neuroni. L'ICA può essere utilizzata come metodo per convertire tali complessi set di dati in tracce di singoli neuroni, ma la sua accuratezza non è mai stata valutata empiricamente. In questo studio, abbiamo testato l'accuratezza dell'ICA per tale separazione cieca delle sorgenti eseguendo simultaneamente una registrazione intracellulare con elettrodi nitidi e un'imaging con coloranti sensibili alla tensione rapida di neuroni situati nei gangli centrali di Tritonia diomedea e Aplysia californica, utilizzando una matrice di fotodiodi a 464 elementi. Dopo aver eseguito l'ICA sui set di dati ottici, abbiamo scoperto che in 34 casi su 34 i potenziali d'azione registrati a livello intracellulare corrispondevano al 100% all'attività di picco di una delle componenti indipendenti restituite dall'ICA. Abbiamo inoltre dimostrato che l'ICA può ordinare accuratamente i potenziali d'azione in tracce di singoli neuroni da una serie di file di dati ottici ottenuti in momenti diversi dalla stessa preparazione, consentendo di monitorare la partecipazione alla rete di un gran numero di neuroni identificabili individualmente in diversi episodi di registrazione. La nostra convalida dell'accuratezza dell'ICA nell'estrazione dell'attività neurale di molti neuroni individuali da set di dati di registrazione ottica rumorosi, misti e ridondanti dovrebbe consentire l'utilizzo di questo potente approccio di imaging su larga scala per studi sulle reti neuronali di invertebrati e vertebrati idonei.

Sejnowski, TJ Apprendimento di strategie ottimali in ambienti complessi. (2010) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 107(47):20151-2. DOI: 10.1073/pnas.1014954107

Coggan, JS, Prescott, SA, Bartol, TM, Sejnowski, TJ Lo squilibrio delle conduttanze ioniche contribuisce a diversi sintomi di demielinizzazione. (2010) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 107(48):20602-20609. DOI: 10.1073/pnas.1013798107

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La rapida conduzione assonale dei potenziali d'azione nei mammiferi si basa sull'isolamento della mielina. La demielinizzazione può causare picchi rallentati, bloccati, desincronizzati o paradossalmente eccessivi, che sono alla base dei sintomi osservati nelle malattie demielinizzanti. La diversità e la tempistica di tali sintomi sono poco comprese, spesso intermittenti e non correlate con la progressione della malattia. Abbiamo modellato gli effetti della demielinizzazione (e del rimodellamento secondario) sull'eccitabilità assonale intrinseca utilizzando modelli di Hodgkin-Huxley e di Morris-Lecar ridotto. Simulazioni e analisi hanno suggerito una spiegazione semplice per l'ampiezza dei sintomi e hanno rivelato che il rapporto tra conduttanza del sodio e conduttanza di perdita, g(Na)/g(L), agiva come un interruttore a quattro vie che controllava i modelli di eccitabilità che includevano l'interruzione della trasmissione dei picchi, la trasmissione di singoli picchi, la post-scarica e i picchi spontanei. L'interruzione si verificava quando questo rapporto scendeva al di sotto di un valore soglia. La scarica post-ricarica si verificava a g(Na)/g(L) appena al di sotto della soglia per la scarica spontanea e richiedeva una corrente lenta in entrata che consentisse due stati attrattori stabili, uno corrispondente alla quiescenza e l'altro alla scarica ripetitiva. Un neurone incline alla scarica post-ricarica poteva funzionare normalmente a meno che non venisse commutato al suo stato attrattore "patologico"; quindi, sebbene la patologia sottostante possa svilupparsi lentamente attraverso continui cambiamenti nelle conduttanze di membrana, può verificarsi una variazione discontinua dell'eccitabilità assonale e portare a sintomi parossistici. Concludiamo che i sintomi positivi tonici e parossistici, così come i sintomi negativi, possono essere una conseguenza di vari gradi di squilibrio tra g(Na) e g(L) dopo la demielinizzazione. La famiglia KCNK dei canali del potassio g(L) potrebbe rappresentare un bersaglio importante per nuovi farmaci per il trattamento dei sintomi della demielinizzazione.

Tiesinga, PH, Sejnowski, TJ Meccanismi di sfasamento nelle reti corticali e loro ruolo nella comunicazione attraverso la coerenza. (2010) Frontiere della neuroscienza umana. 4:196. DOI: 10.3389/fnhum.2010.00196

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Nadkarni, S., Bartol, TM, Sejnowski, TJ, Levine, H. Modellazione del rilascio vescicolare nelle sinapsi dell'ippocampo. (2010) PLOS Biologia Computazionale. 6(11):e1000983. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000983

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Volman, V., Levine, H., Sejnowski, TJ L'inibizione dello shunt controlla la modulazione del guadagno mediata dal rilascio asincrono del neurotrasmettitore nelle prime fasi dello sviluppo. (2010) PLOS Biologia Computazionale. 6(11):e1000973. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000973

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Sejnowski, TJ Domande e risposte con Terrence J. Sejnowski. [Intervistato da Prashant Nair]. (2010) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 107(48):20601. DOI: 10.1073/pnas.1015459107

Miller, KJ, Hermes, D., Honey, CJ, Sharma, M., Rao, RP, den Nijs, M., Fetz, EE, Sejnowski, TJ, Hebb, AO, Ojemann, JG, Makeig, S., Leuthardt, EC Modulazione dinamica dell'attività della popolazione locale tramite la fase del ritmo nella corteccia occipitale umana durante un compito di ricerca visiva. (2010) Frontiere della neuroscienza umana. 4:197. DOI: 10.3389/fnhum.2010.00197

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Hao, J., Lee, TW, Sejnowski, TJ Miglioramento della voce mediante modelli di miscela su scala gaussiana. (2010) Processo IEEE Trans Audio Speech Lang. 18(6):1127-1136. DOI: 10.1109/TASL.2009.2030012

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Questo articolo presenta un nuovo approccio probabilistico al miglioramento del parlato. Invece di una relazione logaritmica deterministica, ipotizziamo una relazione probabilistica tra i coefficienti di frequenza e gli spettri logaritmici. Il modello del parlato nel dominio logaritmico è un modello di miscela gaussiana (GMM). I coefficienti di frequenza obbediscono a una gaussiana a media nulla la cui covarianza è pari all'esponenziale degli spettri logaritmici. Ciò si traduce in un modello di miscela di scala gaussiana (GSMM) per il segnale vocale nel dominio della frequenza, poiché gli spettri logaritmici possono essere considerati fattori di scala. La relazione probabilistica tra coefficienti di frequenza e spettri logaritmici consente di trattarli come due variabili casuali, entrambe stimabili a partire dai segnali rumorosi. Per addestrare il GSMM è stata utilizzata la tecnica di massimizzazione delle aspettative (EM) e per calcolare la distribuzione a posteriori del segnale è stata utilizzata l'inferenza bayesiana. Poiché l'inferenza esatta di questo modello probabilistico completo è computazionalmente intrattabile, abbiamo sviluppato due approcci per migliorarne l'efficienza: il metodo di Laplace e un'approssimazione variazionale. I metodi proposti sono stati applicati per migliorare il parlato corrotto da rumore gaussiano e rumore a forma di parlato (SSN). Per entrambe le approssimazioni, i segnali ricostruiti a partire dai coefficienti di frequenza stimati hanno fornito un rapporto segnale/rumore (SNR) più elevato, mentre quelli ricostruiti a partire dagli spettri logaritmici stimati hanno prodotto un tasso di errore di riconoscimento delle parole inferiore, poiché gli spettri logaritmici si adattano meglio agli input del riconoscitore. I nostri algoritmi hanno ridotto efficacemente l'SSN, che gli algoritmi basati sull'analisi spettrale non erano in grado di sopprimere.

Fröhlich, F., Sejnowski, TJ, Bazhenov, M. La bistabilità della rete media le transizioni spontanee tra stati cerebrali normali e patologici. (2010) Journal of Neuroscience. 30(32):10734-10743. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1239-10.2010

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Hasenstaub, A., Otte, S., Callaway, E., Sejnowski, TJ Il costo metabolico come principio unificante che governa la biofisica neuronale. (2010) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 107(27):12329-34. DOI: 10.1073/pnas.0914886107

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Nelson, JD, McKenzie, CR, Cottrell, GW, Sejnowski, TJ L'esperienza è importante: l'acquisizione di informazioni ottimizza l'aumento di probabilità. (2010) Psychol Sci. 21(7):960-969. DOI: 10.1177/0956797610372637

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Hao, J., Lee, I., Lee, TW, Sejnowski, TJ Analisi vettoriale indipendente per la separazione delle sorgenti utilizzando una miscela di gaussiane a priori. (2010) Calcolo neurale. 22(6):1646-1673. DOI: 10.1162/neco.2010.11-08-906

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Moldakarimov, S., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ L'affinamento della rappresentazione può spiegare il priming percettivo. (2010) Calcolo neurale. 22(5):1312-32. DOI: 10.1162/neco.2009.04-09-999

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Modchang, C., Nadkarni, S., Bartol, TM, Triampo, W., Sejnowski, TJ, Levine, H., Rappel, WJ Confronto tra simulazioni deterministiche e stocastiche di modelli di rilascio delle vescicole neuronali. (2010) Biologia fisica 7(2):026008. DOI: 10.1088/1478-3975/7/2/026008

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Wang, HP, Spencer, D., Fellous, JM, Sejnowski, TJ La sincronia degli input talamocorticali massimizza l'affidabilità corticale. (2010) Scienza. 328(5974):106-109. DOI: 10.1126/science.1183108

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Stiefel, KM, Fellous, JM, Thomas, PJ, Sejnowski, TJ Le oscillazioni intrinseche sottosoglia estendono l'influenza degli input sinaptici inibitori sui neuroni piramidali corticali. (2010) European Journal of Neuroscience. 31(6):1019-26. DOI: 10.1111/j.1460-9568.2010.07146.x

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Moldakarimov, S., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ L'innesco percettivo porta alla riduzione delle oscillazioni della frequenza gamma. (2010) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 107(12):5640-5645. DOI: 10.1073/pnas.0907525107

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Drion, G., Bonjean, M., Waroux, O., Scuvée-Moreau, J., Liégeois, JF, Sejnowski, TJ, Sepolcro, R., Seutin, V. I canali di tipo M controllano selettivamente l'esplosione nei neuroni dopaminergici dei ratti. (2010) European Journal of Neuroscience. 31(5):827-835. DOI: 10.1111/j.1460-9568.2010.07107.x

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Peterson, DA, Sejnowski, TJ, Poizner, H. Prove convergenti di plasticità sinaptica striatale anomala nella distonia. (2010) Neurobiol. Dis. 37(3):558-73. DOI: 10.1016/j.nbd.2009.12.003

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La distonia è un disturbo del movimento funzionalmente invalidante caratterizzato da movimenti e posture anomali. Sebbene siano stati compiuti recenti progressi sostanziali nell'identificazione dei fattori genetici, la fisiopatologia della malattia rimane un mistero. Un'ipotesi stimolante, che sta ottenendo sempre più consenso, è che alcuni aspetti della plasticità neurale possano essere anomali. Esistono anche prove che, almeno in alcune forme di distonia, l'"uso" sensomotorio possa essere un fattore contribuente. La maggior parte delle prove empiriche di una plasticità anomala nella distonia deriva da misure dell'organizzazione e della fisiologia corticale sensomotoria. Tuttavia, anche i gangli della base svolgono un ruolo fondamentale nella funzione sensomotoria. Inoltre, i gangli della base sono ampiamente implicati nei modelli tradizionali di distonia, sono i principali bersagli degli interventi neurochirurgici stereotassici e forniscono un substrato neurale per l'apprendimento sensomotorio influenzato dai neuromodulatori. La nostra ipotesi di lavoro è che la plasticità anomala nei gangli della base sia un collegamento fondamentale tra l'eziologia e la fisiopatologia della distonia. In questa revisione, abbiamo definito il contesto di questa ipotesi integrando un ampio corpus di prove indirette disparate secondo cui la distonia potrebbe comportare anomalie nella plasticità sinaptica nello striato. Dopo aver esaminato le prove che implicano lo striato nella distonia, ci concentriamo sull'influenza di due sistemi neuromodulatori: dopamina e acetilcolina. Per entrambi questi neuromodulatori, descriviamo prima le prove di anomalie nella distonia e poi i mezzi con cui queste possono influenzare la plasticità sinaptica striatale. Nel complesso, le prove suggeriscono che molte diverse forme di distonia possano comportare una plasticità anomala nello striato. Una migliore comprensione di questi processi plastici alterati contribuirebbe a migliorare la nostra comprensione della fisiopatologia della distonia e, dato il ruolo dello striato nell'apprendimento sensomotorio, fornirebbe una base di principio per la progettazione di terapie mirate ai processi dinamici che collegano l'eziologia alla fisiopatologia della malattia.

Sejnowski, TJ Conseguenze delle correnti attive non uniformi nei dendriti. (2009) Frontiere delle neuroscienze. 3(3):332-333. DOI: 10.3389/neuro.01.038.2009

Volman, V., Levine, H., Ben-Jacob, E., Sejnowski, TJ Integrazione dendritica localmente bilanciata mediante plasticità sinaptica a breve termine e conduttanze dendritiche attive. (2009) Journal of Neurofisiologia. 102(6):3234-3250. DOI: 10.1152/jn.00260.2009

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Tanaka, H., Sejnowski, TJ, Krakauer, JW Adattamento alla rotazione visuo-motoria attraverso l'interazione tra le aree corticali parietali posteriori e motorie. (2009) Journal of Neurofisiologia. 102(5):2921-32. DOI: 10.1152/jn.90834.2008

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Peterson, DA, Elliott, C., Song, DD, Makeig, S., Sejnowski, TJ, Poizner, H. Nel morbo di Parkinson l'apprendimento probabilistico inverso è compromesso. (2009) Neuroscienza. 163(4):1092-1101. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2009.07.033

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In molti contesti quotidiani, la relazione tra le nostre scelte e i loro esiti potenzialmente gratificanti è probabilistica e dinamica. Inoltre, la difficoltà delle scelte può variare notevolmente. Sebbene un ampio corpus di prove teoriche ed empiriche suggerisca che la dopamina media l'apprendimento con ricompensa, l'influenza della dopamina nell'apprendimento con ricompensa probabilistica e dinamica rimane poco chiara. Abbiamo adattato un compito di apprendimento con ricompensa probabilistica originariamente utilizzato per studiare i tassi di attivazione delle cellule dopaminergiche nella pars compacta della substantia nigra dei primati [Morris G, Nevet A, Arkadir D, Vaadia E, Bergman H (2006) Midbrain dopamine neurons encode decisions for future action. Nat Neurosci 9:1057-1063] per l'utilizzo come compito di apprendimento inverso con gli esseri umani. Abbiamo cercato di indagare come la deplezione di dopamina nel morbo di Parkinson (MP) influenzi l'apprendimento con ricompensa probabilistica e l'adattamento a un'inversione delle contingenze di ricompensa. Nel corso di 256 prove, i soggetti hanno imparato a scegliere la più favorevole tra coppie di immagini con piccole o grandi differenze nelle probabilità di ricompensa. Durante una successiva fase di inversione, altrimenti identica, le contingenze di probabilità di ricompensa per gli stimoli sono state invertite. Diciassette pazienti con PD di gravità lieve-moderata sono stati studiati senza i loro farmaci dopaminergici e confrontati con 15 controlli di pari età. Rispetto ai controlli, i pazienti con PD presentavano deficit pre e post-inversione distinti a seconda della difficoltà delle scelte che dovevano apprendere. I pazienti mostravano anche una ridotta adattabilità all'inversione. Un modello computazionale delle scelte dei soggetti, prova per prova, ha dimostrato che l'adattabilità era sensibile al guadagno con cui i pazienti ponderavano il feedback pre-inversione. Nel complesso, i risultati implicano il sistema dopaminergico nigrale nell'apprendimento a fare scelte in ambienti con contingenze di ricompensa probabilistiche e dinamiche.

Behrens, MM, Sejnowski, TJ La schizofrenia deriva da una disregolazione ossidativa degli interneuroni parvalbuminergici nella corteccia in via di sviluppo? (2009) Neurofarmacologia. 57(3):193-200. DOI: 10.1016/j.neuropharm.2009.06.002

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Uno squilibrio nello stato redox cerebrale potrebbe essere parte della fisiopatologia sottostante alla schizofrenia. È stato riscontrato che i mediatori dell'infiammazione, come l'IL-6, che possono far pendere l'equilibrio redox verso uno stato pro-ossidante, risultano costantemente alterati nei pazienti schizofrenici. Tuttavia, la relazione tra l'alterazione dello stato redox e le alterazioni delle funzioni cerebrali osservate nella malattia non è stata ancora chiarita. Dati recenti provenienti da un modello farmacologico di schizofrenia suggeriscono che gli squilibri redox e infiammatori possano essere direttamente collegati alla fisiopatologia della malattia attraverso alterazioni negli interneuroni a picco rapido. L'esposizione ripetuta in età adulta all'antagonista del recettore NMDA, la ketamina, aumenta i livelli della citochina proinfiammatoria interleuchina-6 nel cervello che, attraverso l'attivazione dell'enzima NADPH ossidasi (Nox2), che produce superossido, porta alla perdita del fenotipo GABAergico degli interneuroni PV e a una ridotta attività inibitoria nella corteccia prefrontale. Questo effetto non si osserva dopo una singola esposizione alla ketamina, suggerendo che la prima esposizione all'antagonista del recettore NMDA predisponga il cervello in modo tale che effetti deleteri sugli interneuroni PV compaiano in seguito a esposizioni ripetute. Gli effetti dell'attivazione della via IL-6/Nox2 sul sistema interneuronale PV sono reversibili nel cervello adulto, ma permanenti nella corteccia in via di sviluppo. Il lento sviluppo degli interneuroni PV, sebbene essenziale per la formazione dei circuiti neuronali durante lo sviluppo cerebrale postnatale, aumenta la loro vulnerabilità a insulti deleteri che possono influenzare in modo permanente il loro processo di maturazione. Pertanto, negli individui con predisposizione genetica, l'attivazione persistente della via IL-6/Nox2 potrebbe essere un fattore ambientale che altera l'equilibrio redox, portando ai sintomi della schizofrenia nella tarda adolescenza e nella prima età adulta.

Tiesinga, P., Sejnowski, TJ Illuminazione corticale: le oscillazioni gamma dell'attenzione sono guidate da ING o PING? (2009) Neuron. 63(6):727-732. DOI: 10.1016/j.neuron.2009.09.009

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Conner, JM, Franks, KM, Titterness, AK, Russell, K., Merrill, DA, Christie, BR, Sejnowski, TJ, Tuszynski, MH L'NGF è essenziale per la plasticità e l'apprendimento dell'ippocampo. (2009) Journal of Neuroscience. 29(35):10883-10889. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2594-09.2009

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Makeig, S., Gramann, K., Jung, TP, Sejnowski, TJ, Poizner, H. Collegare cervello, mente e comportamento. (2009) Int J Psychophysiol. 73(2):95-100. DOI: 10.1016/j.ijpsycho.2008.11.008

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Destexhe, A., Sejnowski, TJ Il modello Wilson-Cowan, 36 anni dopo. (2009) Biol Cybern. 101(1):1-2. DOI: 10.1007/s00422-009-0328-3

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Meltzoff, AN, Kuhl, PK, Movellan, J., Sejnowski, TJ Fondamenti per una nuova scienza dell'apprendimento. (2009) Scienza. 325(5938):284-288. DOI: 10.1126/science.1175626

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Stiefel, KM, Gutkin, BS, Sejnowski, TJ Effetti della neuromodulazione colinergica sulle curve di risposta di fase neuronale dei neuroni corticali modellati. (2009) Rivista di neuroscienze computazionali. 26(2):289-301. DOI: 10.1007/s10827-008-0111-9

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Schwartz, O., Sejnowski, TJ, Dayan, P. Organizzazione percettiva nell'illusione di inclinazione. (2009) Rivista di Visione. 9(4):19.1-20. DOI: 10.1167/9.4.19

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Bazhenov, M., Timofeev, I., Fröhlich, F., Sejnowski, TJ Meccanismi cellulari e di rete delle crisi elettrografiche. (2009) Droga Discov Oggi Dis Modelli. 5(1):45-57. DOI: 10.1016/j.ddmod.2008.07.005

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Hao, J., Attias, H., Nagarajan, S., Lee, TW, Sejnowski, TJ Miglioramento del parlato, guadagno e adattamento dello spettro del rumore mediante stima bayesiana approssimativa. (2009) Processo IEEE Trans Audio Speech Lang. 17(1):24-37. DOI: 10.1109/TASL.2008.2005342

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Stiefel, KM, Gutkin, BS, Sejnowski, TJ La neuromodulazione colinergica modifica la forma e il tipo della curva di risposta di fase nei neuroni piramidali corticali. (2008) PLOS One. 3(12):e3947. DOI: 10.1371/journal.pone.0003947

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Prescott, SA, Sejnowski, TJ La codifica spike-rate e la codifica spike-time sono influenzate in modo opposto da meccanismi di adattamento diversi. (2008) Journal of Neuroscience. 28(50):13649-13661. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1792-08.2008

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L'adattamento alla frequenza degli spike determina una riduzione degli spike durante la stimolazione prolungata, ma l'impatto complessivo dell'adattamento sulla codifica neurale è molto più complesso, soprattutto se si considera la diversità dei meccanismi biofisici che mediano l'adattamento e i diversi modi in cui le informazioni neurali possono essere codificate. Qui, mostriamo che l'adattamento ha effetti opposti a seconda della strategia di codifica neurale e del meccanismo biofisico responsabile dell'adattamento. In condizioni di rumore, la corrente K(+) attivata dal calcio (I(AHP)) ha migliorato l'efficienza della codifica a frequenza di spike a scapito della codifica a tempo di spike, regolarizzando il treno di spike evocato da input lenti o costanti; la potenza del rumore è aumentata alle alte frequenze ma ridotta alle basse frequenze, in linea con il noise shaping che migliora la codifica dei segnali a bassa frequenza. Al contrario, la corrente K(+) di tipo M attivata dal voltaggio (I(M)) ha migliorato la codifica a tempo di spike a scapito della codifica a frequenza di spike, impedendo al neurone di generare spike ripetutamente a input lenti, in modo che potesse generare spike isolati e ben sincronizzati in risposta a input rapidi. Utilizzando l'analisi dei sistemi dinamici, dimostriamo come I(AHP) minimizzi la perturbazione dell'intervallo tra gli spike causata dal rumore ad alta frequenza, mentre I(M) minimizzi l'interruzione dell'accuratezza temporale degli spike causata da picchi ripetitivi. I risultati dicotomici sono direttamente correlati ai distinti requisiti di attivazione per I(AHP) e I(M), che a loro volta determinano se tali correnti mediano un feedback negativo sugli spike o sul potenziale di membrana. Pertanto, in base alle loro distinte proprietà di attivazione, I(AHP) implementa un noise shaping che migliora la codifica della frequenza degli spike dei segnali a bassa frequenza, mentre I(M) implementa un filtraggio passa-alto che migliora la codifica temporale degli spike dei segnali ad alta frequenza.

Prescott, SA, Ratté, S., De Koninck, Y., Sejnowski, TJ I neuroni piramidali passano da integratori in vitro a risonatori in condizioni simili a quelle in vivo. (2008) Journal of Neurofisiologia. 100(6):3030-42. DOI: 10.1152/jn.90634.2008

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Durante la veglia, i neuroni piramidali nel cervello intatto sono bombardati da input sinaptici che causano depolarizzazione tonica, aumento della conduttanza di membrana (ovvero, shunt) e fluttuazioni rumorose del potenziale di membrana; al contrario, i neuroni piramidali in sezioni acute subiscono in genere un input di fondo minimo. Tali differenze nelle condizioni operative possono compromettere l'estrapolazione dei dati in vitro per spiegare il funzionamento neuronale in vivo. Ad esempio, i neuroni piramidali sono stati identificati come integratori (ovvero neuroni di classe 1 secondo la classificazione di Hodgkin dell'eccitabilità intrinseca) sulla base di esperimenti in vitro, ma tale classificazione è incoerente con la capacità dei neuroni piramidali dell'ippocampo di oscillare/risuonare alla frequenza theta, poiché il comportamento oscillatorio intrinseco è limitato ai neuroni di classe 2. Utilizzando stimoli depolarizzanti lunghi e clamp dinamico per riprodurre condizioni simili a quelle in vivo in esperimenti su fetta, dimostriamo che le cellule piramidali dell'ippocampo CA1 passano da integratori a risonatori, ovvero dall'eccitabilità di classe 1 a quella di classe 2. Il passaggio è spiegato dall'aumento della corrente uscente dovuta alla corrente del potassio di tipo M I(M), che sposta l'equilibrio tra correnti entranti ed estroflesse attive ai potenziali perisoglia e quindi converte il meccanismo di innesco degli spike, come previsto dall'analisi dinamica del nostro modello computazionale. L'attivazione perisoglia di I(M) è potenziata dallo spostamento depolarizzante della soglia degli spike causato dallo shunt e/o dall'inattivazione dei canali del sodio secondaria alla depolarizzazione tonica. Le nostre conclusioni sono state convalidate da molteplici confronti tra simulazione e dati sperimentali. Pertanto, anche le cosiddette proprietà "intrinseche" possono differire qualitativamente tra condizioni in vitro e in vivo.

Fröhlich, F., Bazhenov, M., Iragui-Madoz, V., Sejnowski, TJ Dinamica del potassio nella corteccia epilettica: nuove intuizioni su un vecchio argomento. (2008) Il neuroscienziato. 14(5):422-433. DOI: 10.1177/1073858408317955

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Kerr, RA, Bartol, TM, Kaminsky, B., Dittrich, M., Chang, JC, Baden, SB, Sejnowski, TJ, Stiles, JR METODI DI SIMULAZIONE MONTE CARLO RAPIDA PER SISTEMI DI REAZIONE-DIFFUSIONE BIOLOGICA IN SOLUZIONE E SU SUPERFICI. (2008) Rivista SIAM sull'informatica scientifica. 30(6):3126. DOI: 10.1137/070692017

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Prescott, SA, De Koninck, Y., Sejnowski, TJ Basi biofisiche per tre distinti meccanismi dinamici di inizio del potenziale d'azione. (2008) PLOS Biologia Computazionale. 4(10):e1000198. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000198

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La trasduzione dell'input sinaptico graduato in treni di potenziali d'azione "tutto o niente" (spike) è un passaggio cruciale nella codifica neurale. Hodgkin ha identificato tre classi di neuroni con proprietà di trasduzione analogico-digitale qualitativamente diverse. Nonostante l'uso diffuso di questo schema di classificazione, non è stata descritta una spiegazione generalizzabile delle sue basi biofisiche. Abbiamo registrato dati da neuroni sensoriali spinali rappresentativi di ciascuna classe e ne abbiamo riprodotto le proprietà di trasduzione in un modello minimo. Con l'analisi del piano di fase e di biforcazione, è stato dimostrato che ciascuna classe di eccitabilità deriva da distinte dinamiche di inizio degli spike. L'eccitabilità poteva essere convertita tra tutte e tre le classi variando singoli parametri; inoltre, diversi parametri, variati uno alla volta, avevano effetti funzionalmente equivalenti sull'eccitabilità. Da ciò, concludiamo che le dinamiche di inizio degli spike associate a ciascuna delle classi di Hodgkin rappresentano risultati diversi in una competizione non lineare tra correnti dirette in modo opposto e cineticamente non corrispondenti. L'eccitabilità di classe 1 si verifica attraverso un nodo a sella sulla biforcazione del cerchio invariante quando la corrente netta ai potenziali perisoglia è verso l'interno (depolarizzante) in stato stazionario. L'eccitabilità di classe 2 si verifica attraverso una biforcazione di Hopf quando, nonostante la corrente netta sia verso l'esterno (iperpolarizzante) in stato stazionario, si verifica l'inizio di un picco perché la corrente verso l'interno si attiva più velocemente della corrente verso l'esterno. L'eccitabilità di classe 3 si verifica attraverso un attraversamento di quasi-separatrice quando la corrente verso l'interno ad attivazione rapida prevale sulla corrente verso l'esterno ad attivazione lenta durante un transitorio di stimolo, sebbene la corrente verso l'esterno ad attivazione lenta domini durante la stimolazione costante. Gli esperimenti hanno confermato che diverse classi di neuroni della lamina spinale I esprimono le correnti sottosoglia previste dalle nostre simulazioni e, inoltre, che tali correnti sono necessarie per l'eccitabilità in ciascuna classe cellulare. Pertanto, i nostri risultati dimostrano che tutte e tre le classi di eccitabilità derivano da un continuum nella direzione e nell'intensità delle correnti sottosoglia. Attraverso un'analisi dettagliata del processo di avvio degli impulsi nervosi, abbiamo spiegato un legame fondamentale tra le proprietà biofisiche e le differenze qualitative nel modo in cui i neuroni codificano l'input sensoriale.

Lopreore, CL, Bartol, TM, Coggan, JS, Keller, DX, Sosinsky, GE, Ellisman, MH, Sejnowski, TJ Modellazione computazionale dell'elettrodiffusione tridimensionale nei sistemi biologici: applicazione al nodo di Ranvier. (2008) Giornale Biofisico. 95(6):2624-2635. DOI: 10.1529/biophysj.108.132167

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Basso, PS, Gambo, SS, Sejnowski, TJ, Margoliash, D. Caratteristiche della struttura del sonno nei diamanti mandarini simili a quelle dei mammiferi. (2008) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 105(26):9081-9086. DOI: 10.1073/pnas.0703452105

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Keller, DX, Franks, KM, Bartol, TM, Sejnowski, TJ Attivazione della calmodulina da parte di transienti di calcio nella densità postsinaptica delle spine dendritiche. (2008) PLOS One. 3(4):e2045. DOI: 10.1371/journal.pone.0002045

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Finelli, LA, Haney, S., Bazhenov, M., Stopfer, M., Sejnowski, TJ Regole di apprendimento sinaptico e codifica sparsa in un sistema sensoriale modello. (2008) PLOS Biologia Computazionale. 4(4):e1000062. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000062

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Fröhlich, F., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ Effetto patologico della scala sinaptica omeostatica sulla dinamica di rete nelle malattie della corteccia. (2008) Journal of Neuroscience. 28(7):1709-1720. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4263-07.2008

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Chen, E., Stiefel, KM, Sejnowski, TJ, Bullock, TH Modello di onde viaggianti in una rete nervosa corallina. (2008) J. Comp. Fisiologia. A Neuroetol. Sens. Neural. Comportamento. Fisiologia. 194(2):195-200. DOI: 10.1007/s00359-007-0305-z

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Tiesinga, P., Fellous, JM, Sejnowski, TJ Regolazione della temporizzazione dei picchi nei circuiti corticali visivi. (2008) Nature Reviews Neuroscienze. 9(2):97-107. DOI: 10.1038/nrn2315

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Englitz, B., Stiefel, KM, Sejnowski, TJ Attivazione irregolare di interneuroni corticali isolati in vitro guidata da meccanismi stocastici intrinseci. (2008) Calcolo neurale. 20(1):44-64. DOI: 10.1162/neco.2008.20.1.44

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Vucinić, D., Sejnowski, TJ Un sistema compatto di imaging 3D multifotone per la registrazione dell'attività neuronale rapida. (2007) PLOS One. 2(8):e699. DOI: 10.1371/journal.pone.0000699

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Tour, O., Adams, SR, Kerr, RA, Meijer, RM, Sejnowski, TJ, Tsien, RW, Tsien, RY Calcium Green FlAsH come indicatore di calcio a piccole molecole geneticamente mirato. (2007) Biologia chimica della natura. 3(7):423-31. DOI: 10.1038/nchembio.2007.4

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Stiefel, KM, Sejnowski, TJ Mappatura della funzione sulla morfologia neuronale. (2007) Journal of Neurofisiologia. 98(1):513-26. DOI: 10.1152/jn.00865.2006

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Wachtler, T., Doi, E., Lee, T., Sejnowski, TJ Selettività dei coni derivata dalle risposte del mosaico dei coni retinici alle scene naturali. (2007) Rivista di Visione. 7(8):6. DOI: 10.1167/7.8.6

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Mishra, J., Martinez, A., Sejnowski, TJ, Hillyard, SA Le interazioni intermodali precoci nella corteccia uditiva e visiva sono alla base dell'illusione visiva indotta dal suono. (2007) Journal of Neuroscience. 27(15):4120-4131. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4912-06.2007

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Eagleman, DM, Sejnowski, TJ I segnali di movimento influenzano i giudizi di localizzazione: una spiegazione unificata per le illusioni flash-lag, flash-drag, flash-jump e Frohlich. (2007) Rivista di Visione. 7(4):3. DOI: 10.1167/7.4.3

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Delorme, A., Sejnowski, T., Makeig, S. Rilevamento migliorato degli artefatti nei dati EEG mediante statistiche di ordine superiore e analisi dei componenti indipendenti. (2007) Neuroimage. 34(4):1443-1449. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2006.11.004

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Siegel, RM, Duann, JR, Jung, TP, Sejnowski, T. Dinamica spaziotemporale dell'architettura funzionale per i campi di guadagno nel lobulo parietale inferiore di una scimmia in movimento. (2007) Corteccia cerebrale. 17(2):378-390. DOI: 10.1093/cercor/bhj155

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Schwartz, O., Sejnowski, TJ, Dayan, P. Assegnazione del soft mixer in un modello generativo gerarchico di statistiche di scene naturali. (2006) Calcolo neurale. 18(11):2680-718. DOI: 10.1162/neco.2006.18.11.2680

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Mishra, J., Fellous, JM, Sejnowski, TJ Attenzione selettiva attraverso la relazione di fase della sincronia degli input eccitatori e inibitori in un modello di neurone corticale. (2006) Reti neurali. 19(9):1329-1346. DOI: 10.1016/j.neunet.2006.08.005

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I neuroni nelle aree V2 e V4 mostrano una sintonizzazione specifica per stimoli singoli e rispondono a frequenze di scarica intermedie quando vengono presentati due stimoli con preferenze differenziali ("risposta di coppia"). L'attenzione selettiva a uno dei due stimoli fa sì che la frequenza di scarica del neurone si sposti dalla risposta di coppia intermedia verso la risposta allo stimolo a cui si presta attenzione, come se fosse presentato da solo. L'attenzione a stimoli singoli riduce la soglia di risposta del neurone e aumenta la sincronizzazione degli impulsi a frequenze gamma. I meccanismi intrinseci e di rete alla base di questi fenomeni sono stati studiati in un modello biofisico multicompartimentale di un neurone V4 di gatto ricostruito. La preferenza differenziale per lo stimolo è stata generata attraverso un rapporto maggiore tra sinapsi eccitatorie e inibitorie che proiettano da una delle due popolazioni di input V2. L'inibizione feedforward e le dinamiche di depressione sinaptica sono state fondamentali per generare la risposta di coppia intermedia. Gli effetti del guadagno neuronale sono stati simulati utilizzando correlazioni di frequenza gamma negli input feedforward eccitatori e inibitori al neurone V4. Per le presentazioni di stimoli singoli preferiti, le correlazioni all'interno della popolazione inibitoria fuori fase rispetto alle correlazioni all'interno dell'input eccitatorio hanno ridotto significativamente la soglia di risposta del neurone V4. Anche la risposta di coppia alle popolazioni V2 preferite e non preferite attive simultaneamente potrebbe subire un aumento o una diminuzione del guadagno attraverso lo stesso meccanismo, dove le correlazioni nell'inibizione feedforward sono fuori fase rispetto alle correlazioni in banda gamma all'interno dell'input eccitatorio corrispondente allo stimolo atteso. I risultati di questo modello prevedono che l'attenzione top-down possa influenzare la risposta del neurone V4 utilizzando un meccanismo di sfasamento della correlazione inibitoria.

Prescott, SA, Sejnowski, TJ, De Koninck, Y. La riduzione del potenziale di inversione degli anioni sovverte il controllo inibitorio della frequenza di scarica nei neuroni della lamina spinale I: verso una base biofisica per il dolore neuropatico. (2006) Mol Pain. 2:32. DOI: 10.1186/1744-8069-2-32

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Prescott, SA, Ratté, S., De Koninck, Y., Sejnowski, TJ L'interazione non lineare tra shunt e adattamento controlla il passaggio tra integrazione e rilevamento della coincidenza nei neuroni piramidali. (2006) Journal of Neuroscience. 26(36):9084-97. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1388-06.2006

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La conduttanza di membrana di un neurone piramidale in vivo è sostanzialmente aumentata dall'input sinaptico di fondo. L'aumento della conduttanza di membrana, o shunt, non riduce semplicemente l'eccitabilità neuronale. Registrazioni di neuroni piramidali dell'ippocampo mediante clamp dinamico hanno rivelato che l'adattamento causava la completa cessazione degli impulsi acuti nello stato di alta conduttanza, mentre gli impulsi ripetitivi potevano persistere nonostante l'adattamento nello stato di bassa conduttanza. Questo comportamento è stato riprodotto in un modello del piano di fase ed è stato spiegato da un aumento della soglia di tensione indotto dallo shunt. L'aumento della soglia consente una maggiore attivazione della corrente M (I(M)) a potenziali sottosoglia e riduce l'adattamento minimo necessario per stabilizzare il sistema; al contrario, l'attivazione della corrente di post-iperpolarizzazione non è influenzata dall'aumento della soglia e quindi non è in grado di arrestare gli impulsi ripetitivi. L'interazione non lineare tra shunt e I(M) ha altre importanti conseguenze. In primo luogo, la temporizzazione dei picchi evocati da stimoli brevi è più precisa quando i picchi di fondo evocati da input prolungati sono inibiti, come accade esclusivamente con l'adattamento mediato da I(M) nello stato di alta conduttanza. In secondo luogo, l'attivazione di I(M) a potenziali sottosoglia, che aumenta nello stato di alta conduttanza, iperpolarizza il potenziale di membrana medio allontanandolo dalla soglia di tensione, consentendo solo a fluttuazioni ampie e rapide di raggiungere la soglia e suscitare i picchi. Questi risultati suggeriscono che il passaggio da uno stato di bassa a uno di alta conduttanza in un neurone piramidale è accompagnato da un passaggio dalla codifica di input mediati nel tempo con frequenza di scarica alla codifica di input transitori con picchi sincronizzati con precisione, di fatto commutando la modalità operativa dall'integrazione al rilevamento della coincidenza.

Vucinić, D., Bartol, TM, Sejnowski, TJ Obiettivi riflettenti ibridi per microscopia multifotonica funzionale in mezzi torbidi. (2006) Opt Lett. 31 (16): 2447-2449.

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Anemüller, J., Duann, JR, Sejnowski, TJ, Makeig, S. Dinamiche spazio-temporali nelle registrazioni fMRI rivelate con l'analisi complessa dei componenti indipendenti. (2006) Neuroinformatica. 69(13-15):1502-1512. DOI: 10.1016/j.neucom.2005.12.029

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Fröhlich, F., Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, TJ Transizioni di stato lente di oscillazioni neurali sostenute mediante modulazione dipendente dall'attività dell'eccitabilità intrinseca. (2006) Journal of Neuroscience. 26(23):6153-6162. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.5509-05.2006

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Sejnowski, TJ, Paulsen, O. Oscillazioni di rete: principi computazionali emergenti. (2006) Journal of Neuroscience. 26(6):1673-6. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3737-05d.2006

Paulsen, O., Sejnowski, TJ Dall'olfatto degli invertebrati alla cognizione umana: funzioni computazionali emergenti dell'attività oscillatoria sincronizzata. (2006) Journal of Neuroscience. 26(6):1661-1662. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3737-05a.2006

Kerr, RA, Levine, H., Sejnowski, TJ, Rappel, WJ Precisione della divisione in un modello stocastico delle oscillazioni Min in Escherichia coli. (2006) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 103(2):347-352. DOI: 10.1073/pnas.0505825102

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Campione, PA, Boden, C., Zhang, Z., Pascual, J., Lee, TW, Zangwill, LM, Weinreb, RN, Crowston, JG, Hoffmann, EM, Medeiros, FA, Sejnowski, T., Goldbaum, M. Apprendimento automatico non supervisionato con analisi dei componenti indipendenti per identificare le aree di progressione nei campi visivi glaucomatosi. (2005) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 46(10):3684-3692. DOI: 10.1167/iovs.04-1168

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Goldbaum, MH, Sample, PA, Zhang, Z., Chan, K., Hao, J., Lee, TW, Boden, C., Bowd, C., Bourne, R., Zangwill, L., Sejnowski, T., Spinak, D., Weinreb, RN Utilizzo dell'apprendimento non supervisionato con analisi dei componenti indipendenti per identificare modelli di difetti del campo visivo glaucomatoso. (2005) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 46(10):3676-3683. DOI: 10.1167/iovs.04-1167

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Gillette, MU, Sejnowski, TJ Fisiologia. Gli orologi biologici mantengono la vita in sincronia. (2005) Scienza. 309(5738):1196-1198. DOI: 10.1126/science.1111420

Prank, K., Schulze, E., Eckert, O., Nattkemper, TW, Bettendorf, M., Maser-Gluth, C., Sejnowski, TJ, Grote, A., Penner, E., von Zur Mühlen, A., Brabant, G. Approcci di apprendimento automatico per la mappatura fenotipo-genotipo: previsione di mutazioni eterozigoti nel gene CYP21B dai profili steroidei. (2005) Euro. J. Endocrinol. 153(2):301-305. DOI: 10.1530/eje.1.01957

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Coggan, JS, Bartol, TM, Esquenazi, E., Stiles, JR, Lamont, S., Martone, ME, Berg, DK, Ellisman, MH, Sejnowski, TJ Prove di neurotrasmissione ectopica in una sinapsi neuronale. (2005) Scienza. 309(5733):446-451. DOI: 10.1126/science.1108239

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Fröhlich, F., Bazhenov, M., Timofeev, I., Sejnowski, TJ Mantenimento e cessazione delle oscillazioni neocorticali mediante modulazione dinamica dell'eccitabilità intrinseca e sinaptica. (2005) Sistema relazionale del talamo 3(2):147-156. DOI: 10.1017/S147292880700015

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Houweling, AR, Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, TJ La plasticità sinaptica omeostatica può spiegare l'epilettogenesi post-traumatica nella neocorteccia cronicamente isolata. (2005) Corteccia cerebrale. 15(6):834-845. DOI: 10.1093/cercor/bhh184

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Bazhenov, M., Stopfer, M., Sejnowski, TJ, Laurent, G. L'apprendimento rapido degli odori migliora l'affidabilità delle risposte olfattive nel lobo antennale della locusta. (2005) Neuron. 46(3):483-492. DOI: 10.1016/j.neuron.2005.03.022

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Duann, JR, Jung, TP, Makeig, S., Sejnowski, T. Le decomposizioni ripetute rivelano la stabilità della decomposizione Infomax dei dati fMRI. (2005) Conf. Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 5:5324-5327. DOI: 10.1109/IEMBS.2005.1615683

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Bowd, C., Medeiros, FA, Zhang, Z., Zangwill, LM, Hao, J., Lee, TW, Sejnowski, TJ, Weinreb, RN, Goldbaum, MH Analisi del classificatore della macchina vettoriale di pertinenza e della macchina vettoriale di supporto delle misurazioni dello strato delle fibre nervose retiniche mediante polarimetria laser a scansione. (2005) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 46(4):1322-1329. DOI: 10.1167/iovs.04-1122

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Lehky, SR, Sejnowski, TJ, Desimone, R. Selettività e scarsità nelle risposte delle cellule del complesso striato. (2005) Ricerca sulla vista. 45(1):57-73. DOI: 10.1016/j.visres.2004.07.021

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Fuentealba, P., Timofeev, I., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ, Steriade, M. Bistabilità della membrana nei neuroni reticolari talamici durante le oscillazioni del fuso. (2005) Journal of Neurofisiologia. 93(1):294-304. DOI: 10.1152/jn.00552.2004

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Il nucleo reticolare talamico (RE) è una delle principali fonti di inibizione nel talamo. Svolge un ruolo cruciale nella regolazione dell'eccitabilità delle reti talamocorticali e nella generazione di alcuni ritmi del sonno. Registrazioni intracellulari di neuroni RE mediante current-clamp in gatti sottoposti ad anestesia con barbiturici hanno rivelato la presenza di bistabilità di membrana in circa il 20% dei neuroni. La bistabilità consisteva in due potenziali di membrana alternati, separati da circa 17-20 mV. Mentre i neuroni RE non bistabili (comuni) scaricavano impulsi ritmici di picco durante i fusi, i neuroni RE bistabili scaricavano tonicamente, con modulazione di burst, durante le sequenze dei fusi. La bistabilità era fortemente dipendente dal voltaggio ed era espressa solo in condizioni di riposo (ovvero senza iniezione di corrente). La transizione dallo stato silente a quello attivo era un evento rigenerativo che poteva essere attivato da una breve depolarizzazione, mentre brevi iperpolarizzazioni potevano commutare il potenziale di membrana dallo stato attivo a quello silente. Questi effetti duravano più a lungo degli impulsi di corrente. La stimolazione corticotalamica potrebbe anche commutare il potenziale di membrana da uno stato silente a uno attivo. L'aggiunta di QX-314 nella micropipetta di registrazione ha abolito o interrotto la bistabilità di membrana, suggerendo che I(Na(p)) ne sia responsabile. Le cellule talamocorticali presentavano vari pattern di fuso che riflettevano la bistabilità di membrana nei neuroni RE. Infine, dati sperimentali e simulazioni al computer hanno previsto un ruolo della bistabilità di membrana dei neuroni RE nell'indurre vari pattern di fuso nelle cellule talamocorticali bersaglio. Concludiamo che la bistabilità di membrana dei neuroni RE è una proprietà intrinseca, probabilmente generata da I(Na(p)) e modulata da influenze corticali, nonché un fattore che determina diversi pattern di ritmi fusiformi nei neuroni talamocorticali.

Sejnowski, TJ In memoria: Francis HC Crick. (2004) Neuron. 43(5):619-621. DOI: 10.1016/j.neuron.2004.08.022

Zangwill, LM, Chan, K., Bowd, C., Hao, J., Lee, TW, Weinreb, RN, Sejnowski, TJ, Goldbaum, MH Misurazioni del disco ottico e della retina parapapillare mediante tomografia retinica di Heidelberg per la rilevazione del glaucoma, analizzate mediante classificatori di apprendimento automatico. (2004) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 45(9):3144-3151. DOI: 10.1167/iovs.04-0202

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Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, TJ Modello di potassio per oscillazioni parossistiche neocorticali lente (2-3 Hz) in vivo. (2004) Journal of Neurofisiologia. 92(2):1116-1132. DOI: 10.1152/jn.00529.2003

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Nelle oscillazioni parossistiche neocorticali lente, gli inviluppi depolarizzanti e iperpolarizzanti nei neuroni neocorticali sono ampi rispetto alle oscillazioni lente del sonno. L'aumentata sincronia locale delle oscillazioni del potenziale di membrana durante la crisi epilettica si riflette in oscillazioni elettroencefalografiche più ampie e nella comparsa di reclutamento di complessi di punte o polipunte a frequenze comprese tra 2 e 3 Hz. I meccanismi oscillatori alla base di questa attività parossistica sono stati studiati in modelli computazionali di reti corticali. La concentrazione extracellulare di K(+) ([K(+)](o)) è stata calcolata in modo continuo sulla base delle correnti neuronali di K(+) e delle pompe di K(+) nonché del buffering gliale. Un aumento di [K(+)](o) ha innescato una transizione dalle normali oscillazioni simili a quelle della veglia ad attività simil-epilettica a 2-3 Hz. In questa modalità, le cellule hanno scaricato raffiche periodiche e i neuroni vicini hanno oscillato in modo altamente sincrono; in alcune cellule la depolarizzazione ha portato all'inattivazione delle punte della durata di 50-100 ms. Un aumento di [K(+)](o), sufficiente a produrre oscillazioni, potrebbe derivare da un'eccessiva scarica (ad esempio, indotta da stimolazione esterna) o dall'incapacità del sistema di regolazione del K(+) (ad esempio, quando il buffering gliale è stato bloccato). Una combinazione di correnti, tra cui Ca(2+) ad alta soglia, Na(+) persistente e correnti depolarizzanti attivate dall'iperpolarizzazione (I(h)), è stata sufficiente a mantenere un'attività di 2-3 Hz. In un modello di rete che includeva la diffusione laterale del K(+) tra le cellule, l'aumento di [K(+)](o) in una piccola regione è stato generalmente sufficiente a mantenere oscillazioni parossistiche nell'intera rete. Lente variazioni di [K(+)](o) hanno modulato la frequenza di scoppio e, in alcuni casi, hanno portato a oscillazioni rapide nell'intervallo di frequenza di 10-15 Hz, simili alle rapide oscillazioni osservate durante le crisi epilettiche in vivo. Questi risultati suggeriscono che le modifiche delle correnti intrinseche mediate dall'aumento di [K(+)](o) possono spiegare la gamma di oscillazioni parossistiche neocorticali in vivo.

Campione, PA, Chan, K., Boden, C., Lee, TW, Blumenthal, EZ, Weinreb, RN, Bernd, A., Pascual, J., Hao, J., Sejnowski, T., Goldbaum, MH Utilizzo dell'apprendimento non supervisionato con miscela bayesiana variazionale di analisi fattoriale per identificare modelli di difetti del campo visivo glaucomatoso. (2004) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 45(8):2596-2605. DOI: 10.1167/iovs.03-0343

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Shon, AP, Rao, RP, Sejnowski, TJ Rilevamento e previsione del movimento tramite plasticità dipendente dal tempo di picco. (2004) Rete. 15 (3): 179-198.

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Tiesinga, PH, Fellous, JM, Salinas, E., José, JV, Sejnowski, TJ La sincronia inibitoria come meccanismo di modulazione dell'aumento dell'attenzione. (2004) Rivista di Fisiologia, Parigi. 98(4-6):296-314. DOI: 10.1016/j.jphysparis.2005.09.002

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Registrazioni dell'area V4 delle scimmie hanno rivelato che quando il focus dell'attenzione è su uno stimolo visivo all'interno del campo recettivo di un neurone corticale, possono verificarsi due cambiamenti distinti: la frequenza di scarica del neurone può variare e può verificarsi un aumento della coerenza tra gli impulsi e il potenziale di campo locale (LFP) nell'intervallo di frequenza gamma (30-50 Hz). L'ipotesi esplorata in questo studio è che questi effetti osservati dell'attenzione potrebbero essere una conseguenza di cambiamenti nella sincronia delle reti di interneuroni locali. Abbiamo eseguito simulazioni al computer di un neurone di tipo Hodgkin-Huxley guidato da una corrente depolarizzante costante, I, che rappresenta la stimolazione visiva e da un input inibitorio modulatorio che rappresenta gli effetti dell'attenzione attraverso le reti di interneuroni locali. Abbiamo osservato che la frequenza di scarica del neurone e la coerenza del suo treno di impulsi in uscita con gli input sinaptici erano modulate dal grado di sincronia degli input inibitori. All'aumentare della sincronia inibitoria, la coerenza dei neuroni modello con l'input sinaptico aumentava, ma la frequenza di scarica aumentava o rimaneva invariata. Il numero medio di input inibitori sincroni era un fattore determinante per la forma delle curve della frequenza di scarica rispetto alla corrente (fI). Per un numero elevato di input inibitori (circa 50), la curva fI si saturava per valori I elevati e un aumento della sincronia di input determinava uno spostamento della sensibilità: il neurone modello rispondeva a input I più deboli. Per un numero ridotto (circa 10), le curve fI non erano saturanti e un aumento della sincronia di input determinava un aumento del guadagno della risposta: la frequenza di scarica in risposta allo stesso input veniva moltiplicata per un fattore approssimativamente costante. La modulazione della frequenza di scarica con sincronia inibitoria era massima quando la rete di input oscillava nell'intervallo di frequenza gamma. Pertanto, i cambiamenti osservati nella frequenza di scarica e nella coerenza dei neuroni nella corteccia visiva potrebbero essere controllati da input dall'alto verso il basso che regolano la coerenza nell'attività di una rete inibitoria locale che si scarica a frequenze gamma.

Fuentealba, P., Crochet, S., Timofeev, I., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ, Steriade, M. Prove sperimentali e studi di modellazione supportano il ruolo sincronizzante dell'accoppiamento elettrico nei neuroni reticolari talamici del gatto in vivo. (2004) European Journal of Neuroscience. 20(1):111-9. DOI: 10.1111/j.1460-9568.2004.03462.x

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Bowd, C., Zangwill, LM, Medeiros, FA, Hao, J., Chan, K., Lee, TW, Sejnowski, TJ, Goldbaum, MH, Campione, PA, Crowston, JG, Weinreb, RN Classificatori per oftalmoscopia laser a scansione confocale e valutazione stereofotografica per la previsione di anomalie del campo visivo in occhi sospetti di glaucoma. (2004) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 45 (7): 2255-2262.

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Schwartz, O., Movellan, JR, Wachtler, T., Albright, TD, Sejnowski, TJ Distribuzioni del conteggio degli spike, fattorizzabilità ed effetti contestuali nell'area V1. (2004) Neuroinformatica. 58-60:893-900. DOI: 10.1016/j.neucom.2004.01.143

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Arnold, M., Sejnowski, T., Hammerstrom, D., Jabri, M. Integrazione dei sistemi neurali. (2004) Neuroinformatica. 58-60:1123-1128. DOI: 10.1016/j.neucom.2004.01.176

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Makeig, S., Delorme, A., Westerfield, M., Jung, TP, Townsend, J., Courchesne, E., Sejnowski, TJ Dinamiche cerebrali elettroencefalografiche in seguito a risposte manuali a target visivi. (2004) PLOS Biology. 2(6):e176. DOI: 10.1371/journal.pbio.0020176

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I segnali elettroencefalografici (EEG) registrati sul cuoio capelluto, prodotti dalla sincronizzazione parziale dell'attività del campo corticale, combinano attività elettriche localmente sincrone di molte aree corticali. L'analisi dei segnali EEG evento-correlati presuppone in genere che i potenziali post-stimolo emergano da una linea di base piatta. I segnali associati a un particolare tipo di evento cognitivo vengono quindi valutati calcolando la media dei dati di ciascun canale del cuoio capelluto in tutte le prove, producendo potenziali evento-correlati (ERP) medi. La media degli ERP, tuttavia, filtra gran parte delle informazioni sulle dinamiche corticali disponibili nelle prove con dati non mediati. In questo studio, abbiamo studiato le dinamiche dell'attività elettrica corticale mentre i soggetti rilevavano e rispondevano manualmente a target visivi, visualizzando i segnali conservati nelle medie degli ERP non come risposte di un sistema altrimenti silente, ma come risultato di alterazioni evento-correlate nei processi EEG in corso. Abbiamo applicato l'analisi delle componenti indipendenti di Infomax per analizzare la dinamica dei segnali EEG a 31 canali non mediati in processi massimamente indipendenti, quindi abbiamo raggruppato i processi risultanti tra i soggetti in base alle somiglianze nelle mappe del cuoio capelluto e negli spettri di potenza dell'attività, identificando nove classi di processi EEG con distinte distribuzioni spaziali e dinamiche correlate agli eventi. Scatti theta postmotori a due cicli accoppiati seguivano la pressione di un pulsante nei cluster della linea mediana frontale e somatomotori, mentre l'ampia positività postmotoria "P300" sommava contributi distinti da diverse classi di processi frontali, parietali e occipitali. I cambiamenti correlati agli eventi osservati nelle attività di campo locali, all'interno e tra le aree corticali, potrebbero servire a modulare l'intensità della comunicazione basata su picchi tra le aree corticali per aggiornare attenzione, aspettativa, memoria e preparazione motoria durante e dopo il riconoscimento del bersaglio e la risposta rapida.

Tiesinga, PH, Fellous, JM, Salinas, E., José, JV, Sejnowski, TJ La sincronizzazione come meccanismo di modulazione del guadagno attentivo. (2004) Neuroinformatica. 58-60:641-646. DOI: 10.1016/j.neucom.2004.01.108

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Yates, PA, Holub, AD, McLaughlin, T., Sejnowski, TJ, O'Leary, DD Modellazione computazionale dello sviluppo della mappa retinotopica per definire i contributi dei gradienti EphA-efrinaA, delle interazioni assone-assone e dell'attività strutturata. (2004) Journal of Neurobiology. 59(1):95-113. DOI: 10.1002/neu.10341

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La proiezione topografica degli assoni delle cellule gangliari retiniche (RGC) verso il collicolo superiore (SC) del topo o il tetto ottico (OT) del pollo si forma in tre fasi: gli assoni delle RGC superano la loro zona di terminazione (TZ); presentano una ramificazione interstiziale lungo l'assone che è topograficamente orientata alla corretta posizione della loro futura TZ; e le ramificazioni arborizzano preferenzialmente nella TZ e la proiezione esuberante iniziale si affina attraverso l'eliminazione di assoni e rami per generare una mappa retinotopica precisa. Presentiamo un modello computazionale di sviluppo della mappa che dimostra che i controgradienti di EphA ed ephrinA nella retina e la segnalazione OT/SC e repellente bidirezionale tra assoni delle RGC e cellule OT/SC sono sufficienti a dirigere una distorsione topografica iniziale nella ramificazione assonale delle RGC. Il nostro modello suggerisce inoltre che un'azione repellente proposta da EphAs/ephrinAs presente su rami e arborizzazioni delle cellule gangliari retiniche, sommata a quella di EphAs/ephrinAs espressa dalle cellule OT/SC, sia necessaria per limitare progressivamente la ramificazione e l'arborizzazione in posizioni topograficamente corrette ed eliminare l'overshoot assonale. Le simulazioni mostrano che questo quadro molecolare, da solo, può sviluppare un notevole ordine e raffinamento topografico, inclusa l'eliminazione assonale, una caratteristica non programmata nel modello. La generazione di una mappa raffinata con una TZ condensata come in vivo richiede un parametro aggiuntivo che migliori la formazione di rami lungo un assone delle cellule gangliari retiniche in prossimità di siti in cui presenta una maggiore densità di rami e che assomigli a un ruolo presunto per l'attività neurale strutturata. Lo stesso modello computazionale genera i fenotipi riportati nei topi con deficit di ephrinA e nei topi knockin Isl2-EphA3. Questa modellazione suggerisce che i gradienti di contro-repellenti possono stabilire un grado sostanziale di ordine topografico nell'OT/SC e che i repellenti presenti sulle ramificazioni e sugli arbori assonali delle cellule retiniche forniscono un contributo sostanziale al perfezionamento della mappa. Tuttavia, per generare una retinotopia precisa sono necessarie interazioni competitive tra gli assoni delle cellule retiniche che aumentino la probabilità di una ramificazione locale continua.

Eagleman, DM, Jacobson, JE, Sejnowski, TJ La luminanza percepita dipende dal contesto temporale. (2004) Natura. 428(6985):854-856. DOI: 10.1038/natura02467

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Fellous, JM, Tiesinga, PH, Thomas, PJ, Sejnowski, TJ Scoperta di modelli di picchi nelle risposte neuronali. (2004) Journal of Neuroscience. 24(12):2989-3001. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4649-03.2004

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Tiesinga, PH, Sejnowski, TJ Rapida modulazione temporale della sincronia mediante competizione nelle reti di interneuroni corticali. (2004) Calcolo neurale. 16(2):251-75. DOI: 10.1162/089976604322742029

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La sincronia dei neuroni nella corteccia visiva extrastriata è modulata dall'attenzione selettiva anche in presenza di piccole variazioni nella frequenza di scarica (Fries, Reynolds, Rorie e Desimone, 2001). Abbiamo utilizzato modelli di neuroni corticali di tipo Hodgkin-Huxley per studiare il meccanismo mediante il quale il grado di sincronia può essere modulato indipendentemente dalle variazioni nella frequenza di scarica. La sincronia delle reti locali di interneuroni corticali modello che interagiscono attraverso sinapsi GABA(A) è stata modulata su una scala temporale rapida attivando selettivamente una frazione degli interneuroni. Gli interneuroni attivati si sincronizzavano rapidamente e sopprimevano l'attività degli altri neuroni nella rete, ma solo se la rete si trovava in un intervallo ristretto di attività sinaptica di fondo bilanciata. Durante un'attività di fondo più intensa, la rete non si sincronizzava, mentre per un'attività di fondo più debole, la rete si sincronizzava ma non tornava a uno stato asincrono dopo la sincronizzazione. L'output inibitorio della rete bloccava l'attività dei neuroni piramidali durante l'attività asincrona della rete e, durante l'attività sincrona della rete, potenziava l'impatto dell'attività delle cellule piramidali, correlata allo stimolo, sulle aree corticali riceventi (Salinas & Sejnowski, 2001). La sincronia per competizione fornisce un meccanismo per controllare la sincronia con piccole alterazioni della frequenza, che potrebbero essere utili per l'elaborazione delle informazioni. Poiché metodi tradizionali come la cross-correlazione e la coerenza del campo di picchi richiedono diverse centinaia di millisecondi di registrazioni e non possono misurare rapidi cambiamenti nel grado di sincronia, abbiamo introdotto un nuovo metodo per rilevare rapidi cambiamenti nel grado di coincidenza e nella precisione della temporizzazione degli spike.

Schreiber, S., Fellous, JM, Tiesinga, P., Sejnowski, TJ Influenza delle conduttanze ioniche sull'affidabilità del timing degli impulsi dei neuroni corticali per input ritmici soprasoglia. (2004) Journal of Neurofisiologia. 91(1):194-205. DOI: 10.1152/jn.00556.2003

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Fellous, JM, Sejnowski, TJ Regolazione dell'attività persistente mediante inibizione di fondo in un modello in vitro di un microcircuito corticale. (2003) Corteccia cerebrale. 13 (11): 1232-1241.

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Anemüller, J., Sejnowski, TJ, Makeig, S. Analisi complessa dei componenti indipendenti dei dati elettroencefalografici nel dominio della frequenza. (2003) Reti neurali. 16(9):1311-1323. DOI: 10.1016/j.neunet.2003.08.003

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Sejnowski, T. Il sé computazionale. (2003) Ann. NY Acad. Sci. 1001: 262-271.

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Destexhe, A., Sejnowski, TJ Interazioni tra le conduttanze di membrana alla base delle oscillazioni talamocorticali a onde lente. (2003) Recensioni fisiologiche. 83(4):1401-1453. DOI: 10.1152/physrev.00012.2003

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Laughlin, SB, Sejnowski, TJ Comunicazione nelle reti neuronali. (2003) Scienza. 301(5641):1870-1874. DOI: 10.1126/science.1089662

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Eagleman, DM, Sejnowski, TJ L'illusione del movimento della linea può essere invertita tramite segnali di movimento dopo la scomparsa della linea. (2003) Percezione. 32(8):963-968. DOI: 10.1068/p3314a

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Sejnowski, TJ Percezioni della scienza. Scopri la scienza 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX. (2003) Scienza. 301(5633):601. DOI: 10.1126/science.1084463

Kretzberg, J., Sejnowski, T., Warzecha, AK, Egelhaaf, M. La variabilità delle risposte postsinaptiche dipende in modo non lineare dal numero di input sinaptici. (2003) Neuroinformatica. 52-54:313-320. DOI: 10.1016/S0925-2312(02)00797-X

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Schreiber, S., Fellous, JM, Whitmer, D., Tiesinga, P., Sejnowski, TJ Una nuova misura basata sulla correlazione dell'affidabilità del timing degli spike. (2003) Neuroinformatica. 52-54:925-931. DOI: 10.1016/S0925-2312(02)00838-X

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Rao, RP, Sejnowski, TJ Sistemi neurali auto-organizzati basati sull'apprendimento predittivo. (2003) Philos Trans A Matematica Fisica Ing. Sci. 361(1807):1149-1175. DOI: 10.1098/rsta.2003.1190

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Thomas, PJ, Tiesinga, PH, Fellous, JM, Sejnowski, TJ Affidabilità e biforcazione nei neuroni guidati da più sinusoidi. (2003) Neuroinformatica. 52-54:955-961. DOI: 10.1016/S0925-2312(02)00856-1

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Neubig, M., Destexhe, A., Sejnowski, TJ Variabilità delle correnti sinaptiche quantistiche nei neuroni talamocorticali. (2003) Sistema relazionale del talamo 2(2):153-168. DOI: 10.1016/S1472-9288(03)00008-6

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Franks, KM, Stevens, CF, Sejnowski, TJ Fonti indipendenti di variabilità quantistica a singole sinapsi glutamatergiche. (2003) Journal of Neuroscience. 23 (8): 3186-3195.

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Fellous, JM, Rudolph, M., Destexhe, A., Sejnowski, TJ Il rumore di fondo sinaptico controlla le caratteristiche di input/output delle singole cellule in un modello in vitro di attività in vivo. (2003) Neuroscienza. 122 (3): 811-829.

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Studi in vivo, in vitro e computazionali sono stati utilizzati per studiare l'impatto dell'attività sinaptica di fondo osservata nei neuroni neocorticali in vivo. Abbiamo simulato l'attività di fondo in vitro utilizzando due processi stocastici di Ornstein-Uhlenbeck che descrivono le conduttanze sinaptiche glutammatergiche e GABAergiche, che sono stati iniettati in una cellula in tempo reale utilizzando la tecnica del clamp dinamico. Con parametri scelti per imitare le condizioni in vivo, le cellule della corteccia prefrontale di ratto dello strato 5 registrate in vitro sono state depolarizzate di circa 15 mV, la loro membrana ha fluttuato con una deviazione standard di circa 4 mV, le loro resistenze di ingresso sono diminuite di cinque volte, la loro scarica spontanea ha mostrato un elevato coefficiente di variazione e una frequenza di scarica media di circa 5-10 Hz. Brevi variazioni nella varianza delle fluttuazioni della conduttanza sinaptica dell'acido alfa-ammino-3-idrossi-5-metil-4-isossazolpropionico (AMPA) hanno indotto picchi temporizzati senza modificare significativamente il potenziale di membrana medio della cellula. Questi transitori simulavano aumenti nella correlazione degli input eccitatori. L'attività di fondo si è rivelata altamente efficace nel modulare la curva frequenza di scarica/corrente della cellula: la varianza delle conduttanze simulate dell'acido gamma-amminobutirrico (GABA) e dell'AMPA determinava individualmente il guadagno di ingresso/uscita, le conduttanze medie eccitatoria e inibitoria determinavano il punto di lavoro e la conduttanza media inibitoria controllava la resistenza di ingresso. Un rapporto medio tra conduttanze medie inibitorie ed eccitatorie prossime a 4 era ottimale nel generare fluttuazioni del potenziale di membrana con elevati coefficienti di variazione. Concludiamo che l'attività sinaptica di fondo può modulare dinamicamente le proprietà di ingresso/uscita dei singoli neuroni neocorticali in vivo.

Wachtler, T., Sejnowski, TJ, Albright, TD Rappresentazione degli stimoli cromatici nella corteccia visiva primaria del macaco sveglio. (2003) Neuron. 37 (4): 681-691.

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Doi E., Inui T., Lee TW, Wachtler T., Sejnowski, TJ Proprietà del campo recettivo spaziocromatico derivate da analisi teorico-informazionali delle risposte del mosaico dei coni a scene naturali. (2003) Calcolo neurale. 15(2):397-417. DOI: 10.1162/089976603762552960

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Kreutz-Delgado, K., Murray, JF, Rao, BD, Engan, K., Lee, TW, Sejnowski, TJ Algoritmi di apprendimento del dizionario per la rappresentazione sparsa. (2003) Calcolo neurale. 15(2):349-96. DOI: 10.1162/089976603762552951

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Algoritmi per l'apprendimento basato sui dati di dizionari sovracompleti specifici per dominio sono sviluppati per ottenere la massima verosimiglianza e le massime stime a posteriori del dizionario basate sull'uso di modelli bayesiani con logaritmi a priori negativi concavi/Schur-concavi (CSC). Tali logaritmi a priori sono appropriati per ottenere rappresentazioni sparse di segnali ambientali all'interno di un dizionario opportunamente scelto (adattato all'ambiente). Gli elementi del dizionario possono essere interpretati come concetti, caratteristiche o parole in grado di esprimere in modo conciso gli eventi riscontrati nell'ambiente (la sorgente dei segnali misurati). Questa è una generalizzazione della quantizzazione vettoriale in quanto si è interessati a una descrizione che coinvolga poche voci del dizionario (le proverbiali "25 parole o meno"), ma non necessariamente concisa come una sola voce. Per apprendere un dizionario adattato all'ambiente in grado di esprimere in modo conciso i segnali generati dall'ambiente, sviluppiamo algoritmi che iterano tra un insieme rappresentativo di rappresentazioni sparse trovate da varianti di FOCUSS e un aggiornamento del dizionario utilizzando queste rappresentazioni sparse. Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando dati sintetici e immagini naturali. Per i dizionari completi, dimostriamo che i nostri algoritmi hanno prestazioni migliori rispetto ad altri metodi di analisi delle componenti indipendenti (ICA), misurati in termini di rapporti segnale/rumore di sorgenti separate. Nel caso di dizionari sovracompleti, dimostriamo che il vero dizionario sottostante e le sorgenti sparse possono essere recuperati con precisione. Nei test con immagini naturali, i dizionari sovracompleti appresi hanno dimostrato di avere un'efficienza di codifica maggiore rispetto ai dizionari completi; ovvero, le immagini codificate con un dizionario sovracompleto presentano sia una compressione maggiore (meno bit per pixel) sia una maggiore accuratezza (errore quadratico medio inferiore).

Rao, RP, Sejnowski, TJ Selettività direzionale complessa simile a quella delle cellule attraverso la plasticità dipendente dal tempo di picco. (2003) Rivista di ricerca IETE. 49(2-3):97-111.

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Suri, RE, Sejnowski, TJ Propagazione degli spike sincronizzata tramite apprendimento Hebbiano temporalmente asimmetrico. (2002) Biol Cybern. 87(5-6):440-5. DOI: 10.1007/s00422-002-0355-9

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Franchi, KM, Sejnowski, TJ Complessità della segnalazione del calcio nelle spine sinaptiche. (2002) BioSaggi. 24(12):1130-1144. DOI: 10.1002/bies.10193

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Destexhe, A., Sejnowski, TJ L'inizio delle raffiche nei neuroni talamici e il controllo corticale della sensibilità talamica. (2002) Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci. 357(1428):1649-57. DOI: 10.1098/rstb.2002.1154

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Bartlett, MS, Movellan, JR, Sejnowski, TJ Riconoscimento facciale mediante analisi dei componenti indipendenti. (2002) Rete neurale trans IEEE 13(6):1450-1464. DOI: 10.1109/TNN.2002.804287

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Franks, KM, Bartol, TM, Sejnowski, TJ Un modello Monte Carlo rivela una segnalazione indipendente nelle sinapsi glutammatergiche centrali. (2002) Giornale Biofisico. 83(5):2333-2348. DOI: 10.1016/S0006-3495(02)75248-X

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Bowd, C., Chan, K., Zangwill, LM, Goldbaum, MH, Lee, TW, Sejnowski, TJ, Weinreb, RN Confronto tra reti neurali e funzioni discriminanti lineari per la rilevazione del glaucoma mediante oftalmoscopia laser confocale a scansione del disco ottico. (2002) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 43 (11): 3444-3454.

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Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, TJ Modello delle oscillazioni del sonno talamocorticale a onde lente e delle transizioni verso stati attivati. (2002) Journal of Neuroscience. 22 (19): 8691-704.

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Durante il sonno naturale a onde lente (SWS) nei gatti non anestetizzati, gli stati silenti (giù) si alternano a stati attivi (su); gli stati down sono assenti durante il sonno e la veglia con movimenti oculari rapidi (REM). Le oscillazioni (<1 Hz) nel SWS e la trasformazione in uno stato di veglia attivato sono state studiate con registrazioni intracellulari in vivo e con modelli computazionali del sistema corticotalamico. La sommazione occasionale degli EPSP in miniatura durante la fase iperpolarizzata (silente) dell'oscillazione del SWS ha attivato la corrente persistente del sodio e depolarizzato la membrana delle cellule piramidali corticali (PY) in modo sufficiente per la generazione di spike. Nel modello, ciò ha innescato la fase attiva, che è stata mantenuta dall'eccitazione laterale PY-PY e dalla corrente persistente del sodio. La progressiva depressione delle interconnessioni eccitatorie e l'attivazione della corrente di K+ Ca2+-dipendente hanno portato alla cessazione dell'attività a 20-25 Hz dopo 500-1000 msec. L'inclusione dei neuroni talamocorticali (TC) e reticolari talamici nel modello ha aumentato la durata delle epoche attive fino a 1-1.5 secondi e ha introdotto sequenze di fuso calanti. Un aumento dell'attività dell'acetilcolina, associato agli stati attivati, è stato modellato dalla riduzione della corrente di perdita di K+ nelle cellule PY e TC e da una diminuzione delle conduttanze sinaptiche intracorticali PY-PY. Questi cambiamenti hanno eliminato le fasi iperpolarizzanti dell'attività di rete e trasformato i neuroni corticali in un'attivazione tonica a 15-20 Hz. Durante la transizione da SWS allo stato attivato, la resistenza di ingresso dei neuroni corticali è gradualmente aumentata e, in uno stato completamente attivato, ha raggiunto valori uguali o addirittura superiori a quelli delle fasi silenti delle oscillazioni SWS. Il modello descrive molte caratteristiche essenziali degli stati SWS e attivati nel sistema talamocorticale, nonché la transizione tra di essi.

Chan, K., Lee, TW, Sample, PA, Goldbaum, MH, Weinreb, RN, Sejnowski, TJ Confronto tra apprendimento automatico e classificatori tradizionali nella diagnosi del glaucoma. (2002) IEEE Trans Biomed Ing. 49(9):963-74. DOI: 10.1109/TBME.2002.802012

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Il glaucoma è una neuropatia ottica progressiva con caratteristiche alterazioni strutturali della testa del nervo ottico che si riflettono nel campo visivo. Il test di sensibilità del campo visivo è comunemente utilizzato in ambito clinico per valutare il glaucoma. La perimetria automatica standard (SAP) è un comune test computerizzato del campo visivo il cui output è suscettibile di apprendimento automatico. Abbiamo confrontato le prestazioni di diversi algoritmi di apprendimento automatico con gli indici STATPAC di deviazione media, deviazione standard del pattern e deviazione standard del pattern corretto. Gli algoritmi di apprendimento automatico studiati includevano il percettrone multistrato (MLP), la macchina a vettori di supporto (SVM) e l'analisi discriminante lineare (LDA) e quadratica (QDA), la finestra di Parzen, la miscela di gaussiane (MOG) e la miscela di gaussiane generalizzate (MGG). MLP e SVM sono classificatori che agiscono direttamente sul confine decisionale e rientrano nel paradigma discriminativo. I classificatori generativi, che prima modellano la densità di probabilità dei dati e poi eseguono la classificazione tramite la regola di Bayes, di solito forniscono una comprensione più approfondita della struttura dello spazio dati. Abbiamo applicato MOG, MGG, LDA, QDA e la finestra di Parzen alla classificazione del glaucoma da SAP. Le prestazioni dei vari classificatori sono state confrontate in base alle aree sotto le curve ROC (Router Operating Characteristic) e alle sensibilità (tassi di veri positivi) alle specificità scelte (tassi di veri negativi). I classificatori basati sull'apprendimento automatico hanno mostrato prestazioni migliori rispetto ai migliori indici di STATPAC. La metodologia di selezione in avanti e di eliminazione all'indietro ha ulteriormente migliorato il tasso di classificazione e ha anche il potenziale di ridurre i tempi di test diminuendo il numero di misurazioni della posizione del campo visivo.

Salinas, E., Sejnowski, TJ Neuroni integrati e attivati guidati da input stocastici correlati. (2002) Calcolo neurale. 14(9):2111-2155. DOI: 10.1162/089976602320264024

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Chan, K., Lee, TW, Sejnowski, TJ Apprendimento variazionale di cluster di componenti indipendenti non simmetriche incomplete. (2002) J Mach Learn Res. 3: 99-114.

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Lee, TW, Wachtler, T., Sejnowski, TJ L'opposizione cromatica è una rappresentazione efficiente delle proprietà spettrali nelle scene naturali. (2002) Ricerca sulla vista. 42 (17): 2095-2103.

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Campione, PA, Goldbaum, MH, Chan, K., Boden, C., Lee, TW, Vasile, C., Boehm, AG, Sejnowski, T., Johnson, CA, Weinreb, RN Utilizzo di classificatori di apprendimento automatico per identificare precocemente i cambiamenti glaucomatosi nei campi visivi standard. (2002) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 43 (8): 2660-2665.

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Houweling, AR, Bazhenov, M., Timofeev, I., Grenier, F., Steriade, M., Sejnowski, TJ Risposte di aumento selettivo della frequenza mediante depressione sinaptica a breve termine nella neocorteccia del gatto. (2002) Rivista di fisiologia. 542(Pt 2):599-617.

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Tiesinga, PH, Fellous, JM, Sejnowski, TJ L'affidabilità dell'attrattore rivela una struttura deterministica nei treni di impulsi neuronali. (2002) Calcolo neurale. 14(7):1629-1650. DOI: 10.1162/08997660260028647

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Timofeev, I., Grenier, F., Bazhenov, M., Houweling, AR, Sejnowski, TJ, Steriade, M. Plasticità a breve e medio termine associata all'aumento delle risposte nelle lastre e nei fusi corticali nella corteccia intatta dei gatti in vivo. (2002) Rivista di fisiologia. 542(Pt 2):583-598.

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I cambiamenti plastici nella reattività sinaptica dei neuroni neocorticali, che si verificano dopo stimoli ritmici nell'intervallo di frequenza dei fusi del sonno (10 Hz), sono stati studiati in lastre neocorticali isolate e corteccia intatta di gatti anestetizzati mediante registrazioni intracellulari simultanee singole, doppie e triple, in combinazione con registrazioni di risposte a potenziali di campo locale. Nelle lastre corticali isolate (10 mm di lunghezza, 6 mm di larghezza e 4-5 mm di profondità), le risposte di aumento a treni di impulsi a 10 Hz (risposte con ampiezze crescenti dal secondo stimolo di un treno) sono state evocate solo da stimoli di intensità relativamente elevata. A basse intensità, le risposte erano decrescenti. Le risposte di aumento più intense sono state evocate nei neuroni situati in prossimità del sito di stimolazione. Analisi quantitative del numero di potenziali d'azione e dell'ampiezza e dell'area di depolarizzazione durante le risposte di aumento in una popolazione di neuroni registrati da slab hanno mostrato che gli aumenti più significativi nel numero di picchi con stimoli successivi e il maggiore aumento dell'ampiezza di depolarizzazione sono stati riscontrati nei neuroni a picchi rapidi (FS) convenzionali. Il maggiore aumento dell'area di depolarizzazione è stato riscontrato nei neuroni a picchi regolari (RS). Doppie registrazioni intracellulari da una coppia di neuroni FS e RS nello slab hanno rivelato più potenziali d'azione nel neurone FS durante le risposte di aumento e un aumento significativo dell'area di depolarizzazione del neurone RS dipendente dall'attivazione del neurone FS. Crisi epilettiche autosostenute potrebbero verificarsi nello slab dopo stimoli ritmici a 10 Hz. Nella corteccia intatta, sequenze ripetute di stimoli che generano risposte di aumento o fusi spontanei potrebbero indurre una maggiore reattività sinaptica a singoli stimoli, che dura per diversi minuti. Un andamento temporale simile di aumento della reattività è stato ottenuto con l'induzione della plasticità cellulare. Questi dati suggeriscono che le risposte di aumento indotte dalla stimolazione, così come i fusi spontanei, possono indurre plasticità a breve e medio termine delle risposte neuronali.

Timofeev, I., Bazhenov, M., Sejnowski, T., Steriade, M. La corrente depolarizzante attivata dall'iperpolarizzazione corticale partecipa alla generazione di attività parossistiche focali. (2002) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 99(14):9533-9537. DOI: 10.1073/pnas.132259899

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Eagleman, DM, Sejnowski, TJ Districare le illusioni spaziali da quelle temporali. (2002) Tendenze nelle neuroscienze. 25(6):293; risposta dell'autore 294.

Wiskott, L., Sejnowski, TJ Analisi delle caratteristiche lente: apprendimento non supervisionato delle invarianze. (2002) Calcolo neurale. 14(4):715-770. DOI: 10.1162/089976602317318938

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Duann, JR, Jung, TP, Kuo, WJ, Yeh, TC, Makeig, S., Hsieh, JC, Sejnowski, TJ Variabilità dei segnali BOLD correlati agli eventi in un singolo studio. (2002) Neuroimage. 15(4):823-835. DOI: 10.1006/nimg.2001.1049

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La maggior parte degli attuali metodi di analisi dei dati fMRI presuppone la conoscenza a priori dell'andamento temporale della risposta emodinamica (HR) a stimoli o eventi sperimentali nelle aree cerebrali di interesse. Inoltre, presuppongono tipicamente l'omogeneità sia dei segnali HR che dei segnali di "rumore" non HR, sia tra le regioni cerebrali che tra eventi sperimentali simili. Quando gli HR variano in modo imprevedibile, da area ad area o da prova a prova, è necessario un approccio alternativo. In questo caso, utilizziamo l'analisi delle componenti indipendenti (ICA) di Infomax per rilevare e visualizzare le variazioni negli HR di singola prova nei dati fMRI correlati agli eventi. Sei soggetti hanno partecipato a quattro sessioni fMRI, ciascuna delle quali presentava dieci raffiche di stimolazione flickering-checkerboard a 8 Hz per durate di 0.5 s (brevi) o 3 s (lunghi) a intervalli di 30 s. Cinque sezioni assiali sono state acquisite da una risonanza magnetica Bruker 3-T a intervalli interscansione di 500 ms (TR). La scomposizione ICA dei dati BOLD (Blood Oxygen Level-Dependent) risultanti da ciascuna sessione ha prodotto una componente indipendente attiva nella corteccia visiva primaria (V1) e, in diverse sessioni, un'altra attiva nella corteccia temporale mediale (MT/V5). La visualizzazione di serie di epoche di risposta BOLD con nuovi grafici di immagini BOLD ha dimostrato che le frequenze cardiache delle componenti variavano in modo sostanziale e spesso sistematico tra le prove, nonché tra le sessioni, i soggetti e le aree cerebrali. Contrariamente alle aspettative, in quattro dei sei soggetti la frequenza cardiaca della componente V1 conteneva due picchi positivi in risposta a brevi raffiche di stimolo, mentre componenti con regioni di attività quasi identiche in sessioni di stimolo lungo degli stessi soggetti erano associate a frequenze cardiache a picco singolo. Pertanto, l'ICA combinata con la visualizzazione di immagini BOLD può rivelare variazioni di frequenza cardiaca drammatiche e impreviste, non evidenti ai ricercatori che analizzano i loro dati con media di risposta correlata agli eventi e modelli di frequenza cardiaca fissi.

Tiesinga, PH, Fellous, JM, José, JV, Sejnowski, TJ Trasferimento di informazioni nei neuroni corticali coinvolti. (2002) Rete. 13 (1): 41-66.

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Makeig, S., Westerfield, M., Jung, TP, Enghoff, S., Townsend, J., Courchesne, E., Sejnowski, TJ Fonti cerebrali dinamiche di risposte visive evocate. (2002) Scienza. 295(5555):690-4. DOI: 10.1126/science.1066168

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Goldbaum, MH, Sample, PA, Chan, K., Williams, J., Lee, TW, Blumenthal, E., Girkin, CA, Zangwill, LM, Bowd, C., Sejnowski, T., Weinreb, RN Confronto tra classificatori di apprendimento automatico per la diagnosi del glaucoma tramite perimetria automatizzata standard. (2002) Oftalmologia investigativa e scienze visive. 43 (1): 162-9.

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Flash, T., Sejnowski, TJ Approcci computazionali al controllo motorio. (2001) Opinione corrente in neurobiologia. 11 (6): 655-62.

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Destexhe, A., Rudolph, M., Fellous, JM, Sejnowski, TJ Le conduttanze sinaptiche fluttuanti ricreano un'attività simile a quella in vivo nei neuroni neocorticali. (2001) Neuroscienza. 107 (1): 13-24.

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Jung, TP, Makeig, S., Westerfield, M., Townsend, J., Courchesne, E., Sejnowski, TJ Analisi e visualizzazione dei potenziali correlati agli eventi di una singola prova. (2001) Hum Brain Mapp. 14 (3): 166-85.

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In questo studio, una tecnica di decomposizione lineare, l'analisi delle componenti indipendenti (ICA), viene applicata a dati EEG multicanale a singola prova provenienti da esperimenti di potenziale evento-correlato (ERP). I filtri spaziali derivati dall'ICA separano ciecamente i dati di input in una somma di componenti temporalmente indipendenti e spazialmente fisse derivanti da fonti cerebrali o extracerebrali distinte o sovrapposte. Sia i dati che la loro decomposizione vengono visualizzati utilizzando un nuovo strumento di visualizzazione, l'"immagine ERP", in grado di caratterizzare chiaramente le variazioni a singola prova nelle ampiezze e nelle latenze delle risposte evocate, in particolare quando ordinate in base a una variabile comportamentale o fisiologica rilevante. Questi strumenti sono stati utilizzati per analizzare i dati di un esperimento di attenzione selettiva visiva su 28 soggetti di controllo e 22 pazienti neurologici le cui registrazioni EEG erano fortemente contaminate da artefatti da ammiccamento e altri movimenti oculari. I risultati mostrano che l'ICA può separare le attività EEG di fondo artefattuali, legate allo stimolo, legate alla risposta e non correlate all'evento in componenti separate, una tassonomia non ottenibile con gli approcci convenzionali di media del segnale. Questo metodo consente: (1) la rimozione di artefatti pervasivi di tutti i tipi dalle registrazioni EEG di singole prove, (2) l'identificazione e la segregazione delle componenti EEG legate allo stimolo e alla risposta, (3) l'esame delle differenze nelle risposte di singole prove e (4) la separazione di attività oscillatorie EEG temporalmente distinte ma spazialmente sovrapposte con relazioni distinte con gli eventi del compito. I metodi proposti consentono inoltre di indagare direttamente l'interazione tra ERP e l'EEG in corso. Abbiamo studiato la stabilità delle componenti tra soggetti della decomposizione dell'ICA di epoche EEG di singole prove raggruppando le componenti con mappe del cuoio capelluto e spettri di potenza di attivazione simili. Le componenti che tengono conto di ammiccamenti, movimenti oculari, attività muscolare temporale, potenziali correlati all'evento e attività alfa modulate dall'evento sono state ampiamente replicate tra i soggetti. L'applicazione della visualizzazione delle immagini ICA ed ERP all'analisi di serie di singole prove derivanti da esperimenti EEG (o MEG) correlati agli eventi può aumentare le informazioni disponibili dai dati ERP (o ERF).

Salinas, E., Sejnowski, TJ Modulazione del guadagno nel sistema nervoso centrale: dove comportamento, neurofisiologia e calcolo si incontrano. (2001) Il neuroscienziato. 7(5):430-40. DOI: 10.1177/107385840100700512

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Rao, RP, Sejnowski, TJ Apprendimento predittivo di sequenze temporali nei circuiti neocorticali ricorrenti. (2001) Novartis ha trovato. Sintomo. 239:208-229; discussion 229-240.

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Salinas, E., Sejnowski, TJ Attività neuronale correlata e flusso di informazioni neurali. (2001) Nature Reviews Neuroscienze. 2(8):539-50. DOI: 10.1038/35086012

Jung, TP, Makeig, S., McKeown, MJ, Bell, AJ, Lee, TW, Sejnowski, TJ Visualizzazione delle dinamiche cerebrali mediante analisi dei componenti indipendenti. (2001) Atti dell'IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 89(7):1107-1122. DOI: 10.1109/5.939827

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Pouget, A., Sejnowski, TJ Simulazione di una lesione in un modello di funzione di base delle rappresentazioni spaziali: confronto con l'eminegligenza. (2001) Psychol Rev. 108 (3): 653-73.

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Läer, L., Kloppstech, M., Schöfl, C., Sejnowski, TJ, Brabant, G., Prank, K. Il rumore ha migliorato la trasduzione del segnale ormonale attraverso le oscillazioni del calcio intracellulare. (2001) Chimica biofisica. 91 (2): 157-66.

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Tiesinga, PH, Fellous, JM, José, JV, Sejnowski, TJ Modello computazionale delle oscillazioni delta, theta e gamma indotte dal carbacolo nell'ippocampo. (2001) Ippocampo. 11(3):251-274. DOI: 10.1002/hipo.1041

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Zhang, K., Sejnowski, TJ Precisione e apprendimento nelle popolazioni neuronali. (2001) Progressi nella ricerca sul cervello. 130: 333-342.

Rao, RP, Eagleman, DM, Sejnowski, TJ Levigatura ottimale nella percezione del movimento visivo. (2001) Calcolo neurale. 13 (6): 1243-53.

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Tiesinga, PH, Sejnowski, TJ Precisione delle reti ad impulsi accoppiati di neuroni integrati e attivati. (2001) Rete. 12 (2): 215-33.

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Bazhenov, M., Stopfer, M., Rabinovich, M., Abarbanel, HD, Sejnowski, TJ, Laurent, G. Modello dei meccanismi cellulari e di rete per la modellazione temporale evocata dagli odori nel lobo antennale della locusta. (2001) Neuron. 30 (2): 569-81.

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Bazhenov, M., Stopfer, M., Rabinovich, M., Huerta, R., Abarbanel, HD, Sejnowski, TJ, Laurent, G. Modello di sincronizzazione oscillatoria transitoria nel lobo antennale della locusta. (2001) Neuron. 30 (2): 553-567.

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Wachtler, T., Albright, TD, Sejnowski, TJ Interazioni non locali nella percezione del colore: elaborazione non lineare dei segnali cromatici provenienti da induttori remoti. (2001) Ricerca sulla vista. 41 (12): 1535-1546.

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Fellous, JM, Houweling, AR, Modi, RH, Rao, RP, Tiesinga, PH, Sejnowski, TJ Dipendenza dalla frequenza dell'affidabilità del timing degli spike nelle cellule piramidali corticali e negli interneuroni. (2001) Journal of Neurofisiologia. 85 (4): 1782-1787.

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Vissel, B., Royle, GA, Christie, BR, Schiffer, HH, Ghetti, A., Tritto, T., Perez-Otano, I., Radcliffe, RA, Seamans, J., Sejnowski, T., Wehner, JM, Collins, AC, O'Gorman, S., Heinemann, SF Il ruolo dell'editing dell'RNA dei recettori del kainato nella plasticità sinaptica e nelle crisi epilettiche. (2001) Neuron. 29 (1): 217-227.

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Brown, GD, Yamada, S., Sejnowski, TJ Analisi dei componenti indipendenti al cocktail party neurale. (2001) Tendenze nelle neuroscienze. 24 (1): 54-63.

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Wachtler, T., Lee, TW, Sejnowski, TJ Struttura cromatica delle scene naturali. (2001) J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 18 (1): 65-77.

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Seamans, JK, Durstewitz, D., Christie, BR, Stevens, CF, Sejnowski, TJ Modulazione dei recettori della dopamina D1/D5 degli input sinaptici eccitatori ai neuroni della corteccia prefrontale dello strato V. (2001) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 98(1):301-306. DOI: 10.1073/pnas.011518798

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Tiesinga, PH, José, JV, Sejnowski, TJ Confronto tra neuroni modello neocorticali guidati dalla corrente e dalla conduttanza con canali voltaggio-dipendenti di Hodgkin-Huxley. (2000) Phys Rev E Stat Phys Plasmi Fluidi Relat Argomenti Interdisciplinari. 62(6 Pt B):8413-8419.

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Sejnowski, TJ, Destexhe, A. Perché dormiamo? (2000) Ricerca sul cervello. 886(1-2):208-223.

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Makeig, S., Jung, TP, Sejnowski, TJ Consapevolezza durante la sonnolenza: dinamiche e correlati elettrofisiologici. (2000) Può J Exp Psicol. 54 (4): 266-273.

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Durante i periodi di sonnolenza, l'esecuzione di compiti che richiedono attenzione continua diventa intermittente. In precedenza, abbiamo riportato che durante periodi di sonnolenza con esecuzione intermittente, 7 partecipanti su 10 che eseguivano un compito di rilevazione uditiva mostravano episodi di mancata risposta della durata di circa 18 secondi (Makeig & Jung, 1996). Inoltre, gli andamenti temporali di questi episodi si ripetevano con precisione nelle sessioni successive. I cicli di 18 secondi erano accompagnati da variazioni di potenza controbilanciate all'interno di due bande di frequenza nell'EEG del vertice (vicino a 4 Hz e circa 40 Hz). Nel presente esperimento, gli andamenti prestazionali e gli spettri EEG simultanei sono stati esaminati in quattro partecipanti che eseguivano un compito di tracciamento compensatorio visuo-motorio continuo in sessioni di 15-20 minuti durante uno studio di deprivazione del sonno di 42 ore. Durante i periodi di buona prestazione, i partecipanti eseguivano movimenti compensatori con la trackball circa due volte al secondo, cercando di mantenere un disco bersaglio vicino a un anello centrale. Le autocorrelazioni delle serie temporali che rappresentano la distanza del disco bersaglio dal centro dell'anello hanno mostrato che durante i periodi di scarsa prestazione si ripresentavano marcati cicli di prestazione prossimi ai 18 secondi. Si sono verificate fasi di scarsa o assente prestazione accompagnate da un aumento della potenza EEG, maggiore a 3-4 Hz. Questi studi dimostrano che negli esseri umani assonnati, l'apertura e la chiusura delle porte della consapevolezza comportamentale non sono contrassegnate dalla comparsa di fusi del sonno (12-14 Hz), ma da evidenti variazioni di ampiezza EEG nella banda theta bassa. Inoltre, sia l'EEG che i cambiamenti comportamentali durante la sonnolenza presentano spesso cicli stereotipati di 18 secondi.

Christie, BR, Franks, KM, Seamans, JK, Saga, K., Sejnowski, TJ Plasticità sinaptica nei neuroni interneuronali dello strato radiato CA1 morfologicamente identificati e nelle cellule di proiezione giganti. (2000) Ippocampo. 10(6):673-683. DOI: 10.1002/1098-1063(2000)10:6<673::AID-HIPO1005>3.0.

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Timofeev, I., Grenier, F., Bazhenov, M., Sejnowski, TJ, Steriade, M. Origine delle oscillazioni corticali lente nelle lastre corticali deafferentate. (2000) Corteccia cerebrale. 10 (12): 1185-1199.

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Durstewitz, D., Seamans, JK, Sejnowski, TJ Modelli neurocomputazionali della memoria di lavoro. (2000) Nature Neuroscience. 3 Suppl:1184-91. DOI: 10.1038/81460

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Jung, TP, Makeig, S., Westerfield, M., Townsend, J., Courchesne, E., Sejnowski, TJ Rimozione degli artefatti dell'attività oculare dai potenziali visivi correlati agli eventi in soggetti normali e clinici. (2000) Clin Neurophysiol. 111 (10): 1745-58.

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Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, T. L'attività di picchi-scoppi nel nucleo reticolare talamico avvia sequenze di oscillazioni del fuso nelle reti talamiche. (2000) Journal of Neurofisiologia. 84 (2): 1076-87.

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Salinas, E., Sejnowski, TJ Impatto dell'input sinaptico correlato sulla frequenza di scarica e sulla variabilità dell'output in modelli neuronali semplici. (2000) Journal of Neuroscience. 20 (16): 6193-209.

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Krekelberg, B., Lappe, M., Whitney, D., Cavanagh, P., Eagleman, DM, Sejnowski, TJ La posizione degli oggetti in movimento. (2000) Scienza. 289(5482):1107a. DOI: 10.1126/science.289.5482.1107a

Makeig, S., Enghoff, S., Jung, TP, Sejnowski, TJ Una base naturale per un controllo efficiente attivato dal cervello. (2000) IEEE Trans Rehabil Eng. 8 (2): 208-11.

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Zhang, K., Sejnowski, TJ Una legge di scala universale tra la materia grigia e la materia bianca della corteccia cerebrale. (2000) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 97(10):5621-6. DOI: 10.1073/pnas.090504197

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Paulsen, O., Sejnowski, TJ Modelli naturali di attività e plasticità sinaptica a lungo termine. (2000) Opinione corrente in neurobiologia. 10 (2): 172-9.

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Fellous, JM, Sejnowski, TJ Induzione colinergica delle oscillazioni nella fetta di ippocampo nelle bande lente (0.5-2 Hz), theta (5-12 Hz) e gamma (35-70 Hz). (2000) Ippocampo. 10(2):187-97. DOI: 10.1002/(SICI)1098-1063(2000)10:2<187::AID-HIPO8>3

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Jung, TP, Makeig, S., Humphries, C., Lee, TW, McKeown, MJ, Iragui, V., Sejnowski, TJ Rimozione degli artefatti elettroencefalografici mediante separazione cieca delle sorgenti. (2000) Psicofisiologia. 37 (2): 163-78.

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Movimenti oculari, ammiccamenti, segnali cardiaci, rumore muscolare e rumore di linea presentano seri problemi per l'interpretazione e l'analisi elettroencefalografica (EEG), quando il rifiuto di segmenti EEG contaminati comporta una perdita di dati inaccettabile. Sono stati proposti molti metodi per rimuovere gli artefatti dalle registrazioni EEG, in particolare quelli derivanti da movimenti oculari e ammiccamenti. Spesso la regressione nel dominio del tempo o della frequenza viene eseguita su registrazioni EEG ed elettrooculografiche (EOG) parallele per ricavare parametri che caratterizzano l'aspetto e la diffusione degli artefatti EOG nei canali EEG. Poiché l'EEG e l'attività oculare si mescolano bidirezionalmente, la regressione degli artefatti oculari comporta inevitabilmente la sottrazione dei segnali EEG rilevanti da ciascuna registrazione. I metodi di regressione diventano ancora più problematici quando non è disponibile un buon canale di regressione per ciascuna fonte di artefatto, come nel caso degli artefatti muscolari. L'uso dell'analisi delle componenti principali (PCA) è stato proposto per rimuovere gli artefatti oculari dall'EEG multicanale. Tuttavia, la PCA non è in grado di separare completamente gli artefatti oculari dai segnali cerebrali, soprattutto quando hanno ampiezze comparabili. In questo articolo, proponiamo un metodo nuovo e generalmente applicabile per rimuovere un'ampia varietà di artefatti dalle registrazioni EEG, basato sulla separazione cieca delle sorgenti mediante analisi delle componenti indipendenti (ICA). I nostri risultati sui dati EEG raccolti da soggetti normali e autistici mostrano che l'ICA può rilevare, separare e rimuovere efficacemente la contaminazione da un'ampia varietà di sorgenti artefattuali nelle registrazioni EEG, con risultati che si confrontano favorevolmente con quelli ottenuti utilizzando i metodi di regressione e PCA. L'ICA può anche essere utilizzata per analizzare l'attività cerebrale correlata al battito di ciglia.

Eagleman, DM, Sejnowski, TJ Integrazione del movimento e postdizione nella consapevolezza visiva. (2000) Scienza. 287 (5460): 2036-8.

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Durstewitz, D., Seamans, JK, Sejnowski, TJ Stabilizzazione mediata dalla dopamina dell'attività del periodo di ritardo in un modello di rete della corteccia prefrontale. (2000) Journal of Neurofisiologia. 83 (3): 1733-50.

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La corteccia prefrontale (PFC) è criticamente coinvolta nella memoria di lavoro, che è alla base del comportamento guidato dalla memoria e orientato a un obiettivo. Durante i compiti di memoria di lavoro, i neuroni della PFC mostrano un'attività elevata e prolungata, che potrebbe riflettere la conservazione attiva di informazioni correlate all'obiettivo o la preparazione di azioni future. La dopamina, attraverso il recettore D1, modula fortemente sia questa attività prolungata (a periodo di ritardo) sia le prestazioni comportamentali nei compiti di memoria di lavoro. Tuttavia, la funzione della dopamina durante l'attività a periodo di ritardo e i meccanismi neurali sottostanti sono ancora poco compresi. Recentemente abbiamo proposto che la dopamina possa stabilizzare le rappresentazioni neurali attive nei circuiti della PFC durante i compiti che coinvolgono la memoria di lavoro e renderle resistenti a stimoli e rumori interferenti. Per testare ulteriormente questa idea ed esaminare le correnti ioniche modulate dalla dopamina che potrebbero dare origine a una maggiore stabilità delle rappresentazioni neurali, abbiamo sviluppato un modello di rete della corteccia prefrontale (PFC) costituito da neuroni multicompartimentali dotati di una cinetica di canale simile a quella di Hodgkin-Huxley, in grado di riprodurre registrazioni in vitro di cellule intere e in vivo provenienti da neuroni della corteccia prefrontale. Gli effetti dopaminergici sulle conduttanze ioniche e sinaptiche intrinseche sono stati implementati nel modello sulla base di dati in vitro. La dopamina simulata ha fortemente aumentato l'attività di tipo delay elevata, ma non l'attività spontanea bassa, nella rete modello. Inoltre, l'intensità di una stimolazione afferente necessaria per interrompere l'attività di tipo delay è aumentata con l'entità delle variazioni indotte dalla dopamina nei parametri di rete, rendendo la rappresentazione attualmente attiva molto più stabile. La stabilità potrebbe essere aumentata dai miglioramenti indotti dalla dopamina delle conduttanze persistenti di Na(+) e N-metil-D-aspartato (NMDA). La stabilità è stata inoltre migliorata da una riduzione delle conduttanze AMPA. L'aumento delle conduttanze GABA(A) che si verifica dopo la stimolazione dei recettori dopaminergici D1 era necessario in questo contesto per prevenire passaggi incontrollati e spontanei a stati di alta attività (ovvero, l'attivazione spontanea di rappresentazioni irrilevanti per il compito). In conclusione, i cambiamenti indotti dalla dopamina nelle proprietà biofisiche delle conduttanze ioniche e sinaptiche intrinseche hanno agito congiuntamente per aumentare significativamente la stabilità delle rappresentazioni attivate nelle reti PFC e allo stesso tempo mantenere il controllo sul comportamento della rete e quindi preservare la sua capacità di rispondere adeguatamente agli stimoli correlati al compito. Le previsioni del modello possono essere testate in vivo applicando localmente specifici antagonisti del recettore D1, NMDA o GABA(A) durante la registrazione da neuroni PFC in compiti di tipo a reazione ritardata con stimoli interferenti.

Moortgat, KT, Bullock, TH, Sejnowski, TJ Effetti delle giunzioni comunicanti sulla precisione e sulla frequenza di una rete modello di pacemaker. (2000) Journal of Neurofisiologia. 83 (2): 984-97.

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Abbiamo studiato la precisione del timing degli spike in un modello di neuroni oscillatori accoppiati tramite giunzioni comunicanti. Il modello incorporava la fisiologia, la morfologia e la connettività note del nucleo pacemaker (Pn) ad alta frequenza ed estremamente preciso del pesce debolmente elettrico. Due classi di neuroni, cellule pacemaker e cellule relè, sono state modellate ciascuna con due compartimenti contenenti correnti di sodio e potassio di Hodgkin-Huxley. Le cellule pacemaker isolate si attivavano periodicamente, a causa di un'iniezione di corrente costante; le cellule relè erano silenti ma leggermente depolarizzate a riposo. Quando accoppiato tramite giunzioni comunicanti ad altri neuroni, un neurone modello, come il suo correlato biologico, si attivava a frequenze e ampiezze ampiamente indipendenti dalle iniezioni di corrente. La distribuzione di fase nella rete era labile alle iniezioni di corrente intracellulare e alle variazioni di conduttanza delle giunzioni comunicanti. Il modello prevede una conduttanza delle giunzioni comunicanti biologicamente plausibile di 4-5 nS (200-250 MOmega). Ciò si traduce in un coefficiente di accoppiamento di circa 0.02, come osservato in vitro. I parametri di rete sono stati variati per testare la possibilità di migliorare la precisione temporale delle oscillazioni. L'aumento della conduttanza delle giunzioni comunicanti e un numero maggiore di cellule (mantenendo costante la conduttanza giunzionale totale per cellula) hanno ridotto sostanzialmente il coefficiente di variazione (CV = deviazione standard/media) dei tempi di picco delle cellule relè del 74-85% e oltre, e ciò è avvenuto con una conduttanza delle giunzioni comunicanti inferiore quando le cellule venivano contattate assonicamente rispetto a quelle somatiche. Il CV delle cellule pacemaker è stato ridotto solo quando la probabilità di contatto è stata aumentata, e anche in questo caso solo moderatamente: un aumento di cinque volte della probabilità di contatto ha ridotto il CV del 35%. Concludiamo che le giunzioni comunicanti facilitano la sincronizzazione, possono ridurre il CV, sono più efficaci tra gli assoni e che le cellule pacemaker devono avere un basso CV intrinseco per spiegare il basso CV delle cellule nella rete biologica.

Moortgat, KT, Bullock, TH, Sejnowski, TJ Precisione del nucleo pacemaker in un pesce debolmente elettrico: influenze di rete contro influenze cellulari. (2000) Journal of Neurofisiologia. 83 (2): 971-83.

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Abbiamo studiato l'influenza relativa delle proprietà cellulari e di rete sull'estrema precisione temporale degli impulsi osservata nel nucleo pacemaker midollare (Pn) del pesce debolmente elettrico Apteronotus leptorhynchus. Tra tutti i ritmi biologici noti, la scarica degli organi elettrici di questa e di specie correlate è la più precisa dal punto di vista temporale, con un coefficiente di variazione (CV = deviazione standard/periodo medio) di 2 x 10(-4) e una deviazione standard (DS) di 0.12-1.0 micros. La temporizzazione della scarica degli organi elettrici è comandata dai neuroni del nucleo pacemaker midollare (Pn), le cui singole cellule, in una preparazione in vitro, abbiamo dimostrato avere un grado di precisione solo leggermente inferiore. Tra i 100-150 neuroni del nucleo pacemaker, l'iniezione di colorante in una cellula pacemaker ha determinato l'accoppiamento del colorante in una-cinque altre cellule pacemaker e in una-tre cellule relè, in linea con i risultati precedenti. I riempimenti delle cellule relè, tuttavia, hanno mostrato una profusione di dendriti e contatti mai visti prima: dendriti delle cellule relè accoppiati tramite colorante a una-sette cellule pacemaker e a una-sette cellule relè. Un'iniezione di corrente intracellulare moderata (0.1-10 nA) non ha avuto alcun effetto sul periodo di picco di un neurone e ne ha modulato solo leggermente l'ampiezza, ma potrebbe resettarne la fase. Al contrario, iniezioni massicce di corrente iperpolarizzante (15-25 nA) potrebbero costringere la cellula a saltare i picchi. La temporizzazione relativa dei picchi sottosoglia e completi ha suggerito che almeno alcune cellule pacemaker siano probabilmente oscillatori intrinseci. Le ampiezze relative dei picchi sottosoglia e completi hanno fornito un limite inferiore al coefficiente di accoppiamento delle giunzioni gap di 0.01-0.08. Tre farmaci, chiamati bloccanti delle giunzioni comunicanti (gap junction) per il loro meccanismo d'azione in altre preparazioni, hanno causato un'immediata e sostanziale riduzione della frequenza, alterato il ritardo di fase tra coppie di neuroni e successivamente causato una riduzione dell'ampiezza degli spike, senza alterare la precisione temporale degli spike. Pertanto, concludiamo che l'elevata precisione del ritmo Pn normale non richiede conduttanze massime delle giunzioni comunicanti tra neuroni con una precisione cellulare ordinaria. Piuttosto, la precisione degli spike può essere spiegata come una proprietà cellulare intrinseca, mentre le giunzioni comunicanti agiscono per bloccare in frequenza e fase le oscillazioni della rete.

Lewicki, MS, Sejnowski, TJ Apprendimento di rappresentazioni sovracomplete. (2000) Calcolo neurale. 12 (2): 337-65.

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Murthy, VN, Sejnowski, TJ, Stevens, CF Dinamica dei transienti di calcio dendritico evocati dal rilascio quantico nelle sinapsi eccitatorie dell'ippocampo. (2000) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 97 (2): 901-6.

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Sejnowski, TJ Il libro di Hebb. (1999) Neuron. 24 (4): 773-6.

van Praag, H., Christie, BR, Sejnowski, TJ, Gage, FH La corsa migliora la neurogenesi, l'apprendimento e il potenziamento a lungo termine nei topi. (1999) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 96 (23): 13427-31.

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McKeown, MJ, Humphries, C., Iragui, V., Sejnowski, TJ I modelli spazialmente fissi spiegano le caratteristiche di punte e onde nelle crisi di assenza. (1999) Cervello Topogr. 12 (2): 107-16.

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Donato, G., Bartlett, MS, Hager, JC, Ekman, P., Sejnowski, TJ Classificazione delle azioni facciali. (1999) IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 21(10):974. DOI: 10.1109/34.799905

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Lehky, SR, Sejnowski, TJ Vedere il bianco: i qualia nel contesto della decodifica dei codici della popolazione. (1999) Calcolo neurale. 11 (6): 1261-80.

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Makeig, S., Westerfield, M., Townsend, J., Jung, TP, Courchesne, E., Sejnowski, TJ Componenti funzionalmente indipendenti dei potenziali correlati agli eventi precoci in un compito di attenzione spaziale visiva. (1999) Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci. 354(1387):1135-44. DOI: 10.1098/rstb.1999.0469

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L'attenzione visiva spaziale modula la prima deflessione negativa nel potenziale evento-correlato (ERP) umano medio in risposta a stimoli visivi target e non target (il complesso N1). Qui dimostriamo una scomposizione di N1 in sottocomponenti funzionalmente indipendenti con relazioni funzionalmente distinte con le condizioni del compito e dello stimolo. Gli ERP sono stati raccolti da 20 soggetti in risposta a stimoli visivi target e non target presentati in cinque posizioni dello schermo, presi e non presi in considerazione. L'analisi delle componenti indipendenti, un nuovo metodo per la separazione cieca delle sorgenti, è stata addestrata simultaneamente su risposte medie complessive di 500 ms da tutte le 25 condizioni di stimolo-attenzione e ha scomposto i complessi N1 non target in cinque componenti spazialmente fisse, temporalmente indipendenti e fisiologicamente plausibili. L'attività di una coppia di componenti precoce, lateralmente simmetrica (N1aR e N1aL) è stata evocata rispettivamente dagli stimoli del campo visivo sinistro e destro. La componente N1aR ha raggiunto il picco di circa 9 ms. 1 ms prima di N1aL. Gli stimoli centrali evocavano entrambe le componenti con la stessa differenza di latenza di picco, producendo una distribuzione bilaterale dello scalpo. Le ampiezze di queste componenti non erano aumentate in modo affidabile dall'attenzione spaziale. Gli stimoli nel campo visivo destro evocavano attività in una componente bilaterale sovrapposta spazio-temporalmente (N180b) che raggiungeva il picco a circa 2 ms ed era fortemente potenziata dall'attenzione. Gli stimoli presentati in posizioni non presidiate evocavano una quarta componente (P240a) con un picco vicino a 3 ms. Una quinta componente (PXNUMXf) veniva evocata solo da bersagli presentati in entrambi i campi visivi. I distinti modelli di risposta di queste componenti nell'insieme di condizioni di stimolo e attenzione suggeriscono che riflettano l'attività in sistemi cerebrali funzionalmente indipendenti coinvolti nell'elaborazione di eventi visuospaziali presidiati e non presidiati.

Zhang, K., Sejnowski, TJ Una teoria dei vincoli geometrici sull'attività neurale per il movimento tridimensionale naturale. (1999) Journal of Neuroscience. 19 (8): 3122-45.

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Makeig, S., Westerfield, M., Jung, TP, Covington, J., Townsend, J., Sejnowski, TJ, Courchesne, E. Componenti funzionalmente indipendenti del potenziale evento-correlato positivo tardivo durante l'attenzione spaziale visiva. (1999) Journal of Neuroscience. 19 (7): 2665-80.

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I potenziali evento-correlati (ERP) umani sono stati registrati da 10 soggetti a cui sono stati presentati stimoli visivi target e non target in cinque posizioni dello schermo e che rispondevano a target presentati in una di queste posizioni. I complessi di risposta positiva tardiva di 25-75 forme d'onda medie ERP dalle due condizioni di compito sono stati analizzati simultaneamente con l'analisi delle componenti indipendenti, un nuovo metodo computazionale per separare ciecamente i segnali linearmente misti. Tre componenti spazialmente fisse, temporalmente indipendenti, comportamentalmente rilevanti e fisiologicamente plausibili sono state identificate senza riferimento ai picchi nelle forme d'onda a canale singolo. Una nuova componente frontoparietale (P3f) è iniziata a circa 140 msec e ha raggiunto il picco, nei soggetti con risposta più rapida, all'inizio del comando motorio. La distribuzione del P3f sullo scalpo è apparsa coerente con le regioni cerebrali attivate durante l'orientamento spaziale negli esperimenti di imaging funzionale. Una componente di grandi dimensioni (P3b) a latenza più lunga, positiva sulla corteccia parietale, era seguita da una componente del potenziale postmotorio (Pmp) che raggiungeva il picco 200 msec dopo la pressione del pulsante e invertiva la polarità in prossimità del solco centrale. Una quarta componente associata a una positività non target frontocentrale sinistra (Pnt) veniva evocata principalmente da distrattori simili a target presentati nella posizione in cui si prestava attenzione. Quando non venivano presentati distrattori, le risposte di cinque soggetti con risposta più rapida contenevano le componenti P3f più grandi e Pmp più piccole; quando venivano inclusi i distrattori, una componente Pmp appariva solo nelle risposte dei cinque soggetti con risposta più lenta. Relazioni dirette tra ampiezze delle componenti, latenze e risposte comportamentali, oltre a somiglianze tra le distribuzioni dello scalpo delle componenti e le attivazioni regionali riportate in esperimenti di imaging cerebrale funzionale, suggeriscono che P3f, Pmp e Pnt misurino l'andamento temporale e l'intensità di processi cerebrali funzionalmente distinti.

Bartlett, MS, Hager, JC, Ekman, P., Sejnowski, TJ Misurazione delle espressioni facciali mediante analisi delle immagini al computer. (1999) Psicofisiologia. 36 (2): 253-63.

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Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, TJ Attività ritmica autosostenuta nel nucleo reticolare talamico mediata dai potenziali depolarizzanti del recettore GABAA. (1999) Nature Neuroscience. 2(2):168-74. DOI: 10.1038/5729

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Lee, TW, Girolami, M., Sejnowski, TJ Analisi dei componenti indipendenti mediante un algoritmo Infomax esteso per sorgenti miste subgaussiane e supergaussiane. (1999) Calcolo neurale. 11 (2): 417-41.

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Ernst, U., Pawelzik, K., Tsodyks, M., Sejnowski, TJ Relazione tra mappe retinotopiche e di orientamento nella corteccia visiva. (1999) Calcolo neurale. 11 (2): 375-9.

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Zhang, K., Sejnowski, TJ Sintonizzazione neuronale: affinare o ampliare? (1999) Calcolo neurale. 11 (1): 75-84.

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Destexhe, A., McCormick, DA, Sejnowski, TJ Meccanismi talamici e talamocorticali alla base delle scariche di punte e onde a 3 Hz. (1999) Progressi nella ricerca sul cervello. 121: 289-307.

Pouget, A., Deneve, S., Sejnowski, TJ Sistemi di riferimento nell'eminegligenza: un approccio computazionale. (1999) Progressi nella ricerca sul cervello. 121: 81-97.

McKeown, MJ, Sejnowski, TJ Analisi dei componenti indipendenti dei dati fMRI: esame delle ipotesi. (1998) Hum Brain Mapp. 6(5-6):368-72.

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McKeown, MJ, Humphries, C., Achermann, P., Borbély, AA, Sejnowski, TJ Un nuovo metodo per rilevare i cambiamenti di stato nell'EEG: applicazione esplorativa ai dati del sonno. (1998) Journal of Sleep Research. 7 Supplemento 1:48-56.

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Bartlett, MS, Sejnowski, TJ Apprendimento di rappresentazioni facciali invarianti rispetto al punto di vista dall'esperienza visiva in una rete attrattiva. (1998) Rete. 9 (3): 399-417.

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Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, TJ Modelli computazionali delle risposte di aumento talamocorticale. (1998) Journal of Neuroscience. 18 (16): 6444-65.

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McKeown, MJ, Makeig, S., Brown, GG, Jung, TP, Kindermann, SS, Bell, AJ, Sejnowski, TJ Analisi dei dati fMRI mediante separazione cieca in componenti spaziali indipendenti. (1998) Hum Brain Mapp. 6 (3): 160-88.

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Le attuali tecniche analitiche applicate ai dati di risonanza magnetica funzionale (fMRI) richiedono una conoscenza a priori o ipotesi specifiche circa l'andamento temporale dei processi che contribuiscono ai segnali misurati. In questo articolo descriviamo un nuovo metodo per l'analisi dei dati fMRI basato sull'algoritmo di analisi delle componenti indipendenti (ICA) di Bell e Sejnowski ([1995]: Neural Comput 7:1129-1159). Abbiamo scomposto otto set di dati fMRI provenienti da 4 soggetti normali sottoposti a Stroop color-naming, Brown e Peterson work/number task e compiti di controllo in componenti spazialmente indipendenti. Ogni componente consisteva in valori voxel in posizioni tridimensionali fisse (una "mappa" delle componenti) e un andamento temporale di attivazione associato univoco. Dati i dati di 144 punti temporali raccolti durante una prova di 6 minuti, l'ICA ha estratto un numero uguale di componenti spazialmente indipendenti. In tutte le otto prove, l'ICA ha derivato una e una sola componente con un andamento temporale che corrispondeva strettamente all'andamento temporale di alternanze di 40 secondi tra compiti sperimentali e di controllo. Le regioni di massima attività in queste componenti costantemente correlate al compito si sovrapponevano generalmente alle regioni attive rilevate dall'analisi correlazionale standard, ma includevano regioni frontali non rilevate dalla correlazione. Gli andamenti temporali di altre componenti dell'ICA erano transitoriamente correlati al compito, quasiperiodici o a lenta variazione. Utilizzando statistiche di ordine superiore per applicare criteri progressivamente più rigorosi per l'indipendenza spaziale tra le mappe delle componenti, sia l'algoritmo ICA sia una tecnica di decomposizione di quarto ordine correlata (Comon [1994]: Signal Processing 36:11-20) si sono rivelati superiori all'analisi delle componenti principali (PCA) nel determinare l'estensione spaziale e temporale dell'attivazione correlata al compito. Per ciascun soggetto, gli andamenti temporali e le regioni attive delle componenti dell'ICA correlate al compito erano coerenti in tutte le prove e robusti all'aggiunta di rumore simulato. L'artefatto del movimento simulato e le attivazioni correlate al compito simulate aggiunte ai dati fMRI effettivi sono stati chiaramente separati dall'algoritmo. L'ICA può essere utilizzata per distinguere tra componenti di segnale non correlate al compito, movimenti e altri artefatti, nonché attivazioni fMRI correlate al compito in modo costante o transitorio, basandosi solo su deboli ipotesi sulla loro distribuzione spaziale e senza ipotesi a priori sul loro andamento temporale. L'ICA sembra essere un metodo molto promettente per l'analisi dei dati fMRI di popolazioni normali e cliniche, in particolare per scoprire modelli transitori imprevedibili di attività cerebrale associati all'esecuzione di compiti psicomotori.

Lin, JK, Pawelzik, K., Ernst, U., Sejnowski, TJ Attività sincrona irregolare in reti di neuroni integrati e attivati accoppiate stocasticamente. (1998) Rete. 9 (3): 333-44.

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Sejnowski, TJ Neurobiologia. Fare movimenti fluidi. (1998) Natura. 394(6695):725-6. DOI: 10.1038/29404

Bazhenov, M., Timofeev, I., Steriade, M., Sejnowski, TJ Modelli cellulari e di rete per le risposte di aumento intratalamico durante la stimolazione a 10 Hz. (1998) Journal of Neurofisiologia. 79 (5): 2730-48.

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Gray, MS, Pouget, A., Zemel, RS, Nowlan, SJ, Sejnowski, TJ Stima affidabile della disparità tramite integrazione selettiva. (1998) Neuroscienze visive. 15 (3): 511-28.

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Moortgat, KT, Keller, CH, Bullock, TH, Sejnowski, TJ La precisione del pacemaker submicrosecondo è modulata dal comportamento: il percorso elettromotorio gimnotiforme. (1998) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 95 (8): 4684-9.

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Zhang, K., Ginzburg, I., McNaughton, BL, Sejnowski, TJ Interpretazione dell'attività della popolazione neuronale mediante ricostruzione: quadro unificato con applicazione alle cellule del posto dell'ippocampo. (1998) Journal of Neurofisiologia. 79 (2): 1017-1044.

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Variabili fisiche come l'orientamento di una linea nel campo visivo o la posizione del corpo nello spazio sono codificate come livelli di attività in popolazioni di neuroni. La ricostruzione o decodifica è un problema inverso in cui le variabili fisiche vengono stimate a partire dall'attività neurale osservata. La ricostruzione è utile in primo luogo per quantificare la quantità di informazioni sulle variabili fisiche presenti nella popolazione e, in secondo luogo, per fornire informazioni su come il cervello potrebbe utilizzare rappresentazioni distribuite per risolvere problemi computazionali correlati, come il riconoscimento di oggetti visivi e la navigazione spaziale. Vengono discusse due classi di metodi di ricostruzione, ovvero i metodi probabilistici o bayesiani e i metodi delle funzioni di base. Tra questi, alcuni importanti metodi esistenti vengono considerati casi speciali, come la codifica vettoriale di popolazione, la stima lineare ottimale e il template matching. Come esempio rappresentativo del problema di ricostruzione, sono stati applicati diversi metodi a dati di treni di impulsi multielettrodici provenienti da cellule di posizione dell'ippocampo in ratti in movimento libero. L'accuratezza della ricostruzione delle traiettorie dei ratti è stata confrontata con i diversi metodi. I metodi bayesiani si sono dimostrati particolarmente accurati quando è stato imposto un vincolo di continuità, e gli errori migliori si sono attestati entro un fattore due del limite teorico-informazionale di accuratezza di qualsiasi ricostruzione, ed erano comparabili con gli errori sperimentali intrinseci nel tracciamento della posizione. Inoltre, l'analisi della ricostruzione ha rivelato alcuni aspetti interessanti dell'attività delle cellule di posizione, come la tendenza a salti irregolari della traiettoria ricostruita quando l'animale smetteva di correre. In generale, i valori teorici degli errori minimi di ricostruzione ottenibili quantificano l'accuratezza con cui una variabile fisica viene codificata nella popolazione neuronale, in termini di errore quadratico medio, indipendentemente dal metodo utilizzato per la lettura delle informazioni. Un risultato correlato è che l'accuratezza teorica è indipendente dall'ampiezza della funzione di sintonizzazione gaussiana solo in due dimensioni. Infine, tutti i metodi di ricostruzione considerati in questo articolo possono essere implementati da un'architettura di rete neurale unificata, che il cervello potrebbe effettivamente utilizzare per risolvere problemi correlati.

McKeown, MJ, Jung, TP, Makeig, S., Brown, G., Kindermann, SS, Lee, TW, Sejnowski, TJ Modelli di attività spazialmente indipendenti nei dati della risonanza magnetica funzionale durante il compito di denominazione dei colori di Stroop. (1998) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 95 (3): 803-810.

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Zemel, RS, Sejnowski, TJ Un modello per la codifica di movimenti multipli di oggetti e di auto-movimento nell'area MST della corteccia visiva dei primati. (1998) Journal of Neuroscience. 18 (1): 531-547.

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Berns, GS, Sejnowski, TJ Un modello computazionale di come i gangli della base producono sequenze. (1998) Journal of Cognitive Neuroscience. 10 (1): 108-121.

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Proponiamo un modello computazionale a livello di sistema dei gangli della base, basato su anatomia e fisiologia note. In primo luogo, ipotizziamo che i bersagli talamici, che trasmettono le informazioni ascendenti alle aree corticali di azione e pianificazione, siano tonicamente inibiti dai gangli della base. In secondo luogo, ipotizziamo che lo stadio di uscita dei gangli della base, il segmento interno del globo pallido (Gpi), selezioni una singola azione tra diverse azioni concorrenti tramite interazioni laterali. In terzo luogo, proponiamo che esista una forma di memoria di lavoro locale sotto forma di connessioni reciproche tra il globo pallido esterno (Gpe) e il nucleo subtalamico (STN). Come test del modello, il sistema è stato addestrato ad apprendere una sequenza di stati che richiedevano il contesto di azioni precedenti. Lo striato, che si presumeva rappresentasse una congiunzione di stati corticali, ha selezionato direttamente l'azione nel GP durante l'addestramento. L'intensità della connessione STN-GP è stata modificata da una regola di apprendimento associativo e ha codificato la sequenza dopo 20-40 iterazioni. Successivamente, il sistema ha riprodotto automaticamente la sequenza quando è stato indirizzato alla prima azione. Si è scoperto che il comportamento del modello era sensibile al rapporto tra il tasso di apprendimento striatale-nigrale e il tasso di apprendimento STN-GP. Inoltre, il grado di inibizione striatale del globo pallido ha avuto un'influenza significativa sia sull'apprendimento che sulla capacità di selezionare un'azione. Bassi tassi di apprendimento, che si ipotizza riflettano bassi livelli di dopamina, come nel morbo di Parkinson, hanno portato a una lenta acquisizione di informazioni contestuali. Tuttavia, questo potrebbe essere parzialmente compensato modellando una lesione del globo pallido che ha portato a un aumento del guadagno delle unità STN. La sensibilità dei parametri del modello è discussa nel quadro dei dati comportamentali e lesionali esistenti.

Quarzo, SR, Sejnowski, TJ Le basi neurali dello sviluppo cognitivo: un manifesto costruttivista. (1997) Scienze comportamentali e cerebrali. 20(4):537-56; discussion 556-96.

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Bell, AJ, Sejnowski, TJ I "componenti indipendenti" delle scene naturali sono i filtri di bordo. (1997) Ricerca sulla vista. 37 (23): 3327-3338.

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Pouget, A., Sejnowski, TJ Una nuova visione dell'eminegligenza basata sulle proprietà di risposta dei neuroni parietali. (1997) Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci. 352(1360):1449-1459. DOI: 10.1098/rstb.1997.0131

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Tang, AC, Bartels, AM, Sejnowski, TJ Effetti della modulazione colinergica sulle risposte dei neuroni neocorticali agli input fluttuanti. (1997) Corteccia cerebrale. 7 (6): 502-509.

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Makeig, S., Jung, TP, Bell, AJ, Ghahremani, D., Sejnowski, TJ Separazione cieca delle risposte cerebrali correlate agli eventi uditivi in componenti indipendenti. (1997) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 94 (20): 10979-10984.

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I dati medi dei potenziali evento-correlati (ERP) registrati dal cuoio capelluto umano rivelano un'attività elettroencefalografica (EEG) che è sincronizzata in modo affidabile nel tempo e nella fase con gli eventi sperimentali. In questo articolo, riportiamo l'applicazione di un metodo basato sulla teoria dell'informazione che scompone uno o più ERP registrati da più sensori del cuoio capelluto in una somma di componenti con distribuzioni fisse del cuoio capelluto e andamenti temporali scarsamente attivati e massimamente indipendenti. L'analisi delle componenti indipendenti (ICA) scompone i dati ERP in un numero di componenti pari al numero di sensori. Le componenti derivate presentano proiezioni del cuoio capelluto distinte ma non necessariamente ortogonali. A differenza dei metodi di adattamento dipolare, l'algoritmo non modella la posizione dei loro generatori nella testa. A differenza dei metodi che rimuovono le correlazioni di secondo ordine, come l'analisi delle componenti principali (PCA), l'ICA riduce al minimo anche le dipendenze di ordine superiore. Applicato agli ERP target rilevati e non rilevati da un esperimento di vigilanza uditiva, l'algoritmo ha derivato dieci componenti che scompongono ciascuno dei picchi di risposta principali in una o più componenti ICA con distribuzioni del cuoio capelluto relativamente semplici. Tre di queste componenti erano attive solo quando il soggetto rilevava i target, le altre tre componenti solo quando il target non veniva rilevato e una sola in entrambi i casi. Tre componenti aggiuntive spiegavano la risposta cerebrale in stato stazionario a un treno di clic di fondo a 39 Hz. Le principali caratteristiche della scomposizione si sono dimostrate robuste nel corso delle sessioni e nelle variazioni del numero e del posizionamento dei sensori. Questo metodo di analisi ERP può essere utilizzato per confrontare le risposte a più stimoli, condizioni del compito e stati del soggetto.

Ritz, R., Sejnowski, TJ Attività oscillatoria sincrona nei sistemi sensoriali: nuove prospettive sui meccanismi. (1997) Opinione corrente in neurobiologia. 7 (4): 536-546.

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Spitzer, Carolina del Nord, Sejnowski, TJ Elaborazione delle informazioni biologiche: piccoli progressi. (1997) Scienza. 277 (5329): 1060-1061.

Tsodyks, MV, Skaggs, WE, Sejnowski, TJ, McNaughton, BL Effetti paradossali della modulazione esterna degli interneuroni inibitori. (1997) Journal of Neuroscience. 17 (11): 4382-4388.

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Murthy, VN, Sejnowski, TJ, Stevens, CF Proprietà di rilascio eterogenee delle singole sinapsi ippocampali visualizzate. (1997) Neuron. 18 (4): 599-612.

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Pouget, A., Sejnowski, TJ Trasformazioni spaziali nella corteccia parietale mediante funzioni di base. (1997) Journal of Cognitive Neuroscience. 9(2):222-237. DOI: 10.1162/jocn.1997.9.2.222

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Contreras, D., Destexhe, A., Sejnowski, TJ, Steriade, M. Modelli spaziotemporali delle oscillazioni del fuso nella corteccia e nel talamo. (1997) Journal of Neuroscience. 17 (3): 1179-1196.

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Le oscillazioni del fuso talamico (7-14 Hz) compaiono nel talamo e nella corteccia durante le prime fasi del sonno. Sono generate dalla combinazione di proprietà intrinseche e modelli di connettività dei neuroni talamici e distribuite ai territori corticali dagli assoni talamo-corticali. Il feedback cortico-talamico è un fattore importante nella produzione di mappe spazio-temporali coerenti delle oscillazioni del fuso talamico in territori talamici estesi. In questo studio abbiamo studiato i modelli spazio-temporali dei fusi spontanei ed evocati mediante registrazioni di potenziali di campo multisito e di unità in corteccia intatta e animali decorticati. Dimostriamo che (1) le oscillazioni spontanee del fuso sono sincronizzate su ampie aree corticali durante il sonno naturale e l'anestesia con barbiturici; (2) sotto anestesia con barbiturici, la coerenza corticale non viene interrotta dalla transezione dei collegamenti sinaptici intracorticali; (3) negli animali con corteccia intatta, le sequenze spontanee del fuso talamico si verificano quasi simultaneamente su territori talamici estesi; (4) in assenza di corteccia, le oscillazioni spontanee del fuso in tutto il talamo sono meno organizzate, ma la coerenza locale (entro 2-4 mm) è comunque mantenuta; e (5) la propagazione del fuso si osserva negli animali con corteccia intatta solo quando provocata da una stimolazione corticale a bassa intensità, applicata poco prima dell'inizio di una sequenza spontanea del fuso; le velocità di propagazione sono comprese tra 1 e 3 mm/sec, misurate nell'asse anteroposteriore del talamo; l'aumento dell'intensità della stimolazione corticale innesca le oscillazioni del fuso, che iniziano simultaneamente in tutte le derivazioni. Proponiamo che, in vivo, la coerenza delle oscillazioni spontanee del fuso nelle reti corticotalamiche sia attribuibile all'azione combinata di un input corticotalamico di fondo continuo che avvia sequenze del fuso in diversi siti talamici contemporaneamente e di una connettività corticotalamica e intratalamica divergente.

Sejnowski, TJ L'anno del dendrite. (1997) Scienza. 275 (5297): 178-179.

Jung, TP, Makeig, S., Stensmo, M., Sejnowski, TJ Stima dello stato di allerta tramite lo spettro di potenza dell'EEG. (1997) IEEE Trans Biomed Ing. 44(1):60-69. DOI: 10.1109/10.553713

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Contreras, D., Destexhe, A., Sejnowski, TJ, Steriade, M. Controllo della coerenza spaziotemporale di un'oscillazione talamica mediante feedback corticotalamico. (1996) Scienza. 274 (5288): 771-774.

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Destexhe, A., Bal, T., McCormick, DA, Sejnowski, TJ Meccanismi ionici alla base delle oscillazioni sincronizzate e della propagazione delle onde in un modello di fette talamiche di furetto. (1996) Journal of Neurofisiologia. 76 (3): 2049-2070.

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1. È stato sviluppato un modello di rete di neuroni talamocorticali (TC) e reticolari talamici (RE) sulla base di misurazioni elettrofisiologiche su fette talamiche di furetto. Le cellule TC e RE a compartimento singolo includevano correnti sensibili al voltaggio e al calcio descritte dalla cinetica di tipo Hodgkin-Huxley. Le correnti sinaptiche sono state modellate mediante modelli cinetici dell'acido alfa-ammino-3-idrossi-5-metil-4-isoxazolopropionico (AMPA), dell'acido gamma-amminobutirrico-A (GABAA) e dei recettori GABAB. 2. Il modello ha riprodotto con successo le caratteristiche del fuso e le oscillazioni lente indotte dalla bicucullina osservate in vitro. Le caratteristiche di questi due tipi di oscillazioni dipendevano sia dalle proprietà intrinseche delle cellule TC e RE sia dal loro modello di interconnettività. 3. Le oscillazioni sono state organizzate dal reclutamento reciproco tra cellule TC e RE, grazie alla loro connettività manuale e alle proprietà di scoppio. Le cellule TC hanno suscitato potenziali postsinaptici eccitatori (EPSP) mediati da AMPA nelle cellule RE, mentre le cellule RE hanno suscitato una miscela di potenziali postsinaptici inibitori (IPSP) GABAA e GABAB nelle cellule TC. Grazie alla presenza di una corrente T, EPSP sufficientemente forti potrebbero provocare un'esplosione nelle cellule RE, mentre le cellule TC potrebbero generare un'esplosione di rimbalzo in seguito agli IPSP GABAergici. In queste condizioni, l'interazione tra le cellule TC e RE ha prodotto oscillazioni sostenute. 4. In assenza di oscillazione spontanea in nessuna cellula, la rete TC-RE rimaneva quiescente. Le oscillazioni del fuso con una frequenza di 9-11 Hz potrebbero essere avviate dalla stimolazione dei neuroni TC o RE. Alcuni neuroni TC in oscillazione spontanea hanno reclutato l'intero modello di rete in un'oscillazione "crescente e calante". Queste cellule "iniziatrici" potrebbero essere una percentuale estremamente piccola di cellule TC. 5. Nelle registrazioni intracellulari, le cellule TC mostrano una ridotta capacità di emissione di raffiche dopo una sequenza di raffiche. La fase di "calo" dei fusi è stata riprodotta nel modello di rete ipotizzando una regolazione positiva di Ih dipendente dall'attività che opera tramite una proteina legante il calcio nelle cellule TC, come mostrato in precedenza in un modello a due cellule. 6. In seguito alla soppressione globale dell'inibizione del GABAA, le cellule RE disinibite hanno prodotto scariche prolungate che hanno provocato forti correnti mediate dal GABAB nelle cellule TC. L'aumento degli IPSP lenti nelle cellule TC è dovuto anche alla cooperatività nell'attivazione della corrente mediata da GABAB. Questi lenti IPSP hanno reclutato le cellule TC e RE in oscillazioni crescenti e calanti più lente (3-4 HZ) che erano ancora più sincronizzate. 7. L'arborizzazione assonale locale delle proiezioni TC-RE e RE-TC ha consentito alle oscillazioni di propagarsi attraverso la rete. Un'oscillazione che iniziava da un singolo fuoco induceva un fronte d'onda in propagazione man mano che venivano reclutate più cellule. Il calo dell'oscillazione si è propagato anche a causa della sovraregolazione di Ih nelle cellule TC, portando a ondate di attività del fuso come osservato negli esperimenti. 8. Le proprietà spaziotemporali delle onde propagate nel modello dipendevano fortemente dalle proprietà intrinseche delle cellule TC. Il modello spaziale dell'attività di picco era notevolmente diverso per i fusi rispetto alle oscillazioni indotte dalla bicucullina e dipendeva dal comportamento di rimbalzo delle cellule TC. La sovraregolazione di Ih ha prodotto un periodo refrattario tale per cui le onde del fuso in collisione si sono fuse in un'unica oscillazione e si sono estinte. Infine, la riduzione della conduttanza Ih ha portato a oscillazioni sostenute. 9. Due proprietà chiave delle cellule nella rete talamica possono spiegare l'inizio, la propagazione e la terminazione delle oscillazioni del fuso, la sovraregolazione dipendente dall'attività di Ih nelle cellule TC e le proiezioni assonali localizzate tra cellule TC e RE. Inoltre, il modello prevede che una dipendenza non lineare dello stimolo delle risposte GABAB sia responsabile della genesi di scariche sincronizzate prolungate in seguito al blocco dei recettori GABAA.

Sejnowski, TJ Le sinapsi diventano più intelligenti. (1996) Natura. 382(6594):759-760. DOI: 10.1038/382759a0

Prank, K., Kloppstech, M., Nowlan, SJ, Sejnowski, TJ, Brabante, G. Secrezione casuale dell'ormone della crescita negli esseri umani. (1996) Fis. Rev. Lett. 77(9):1909-1911. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.1909

Mainen, ZF, Sejnowski, TJ Influenza della struttura dendritica sul modello di attivazione nei neuroni neocorticali modello. (1996) Natura. 382(6589):363-366. DOI: 10.1038/382363a0

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Prank, K., Kloppstech, M., Nowlan, SJ, Sejnowski, TJ, Brabante, G. Segmentazione auto-organizzata delle serie temporali: separazione della secrezione dell'ormone della crescita nell'acromegalia dai controlli normali. (1996) Giornale Biofisico. 70(6):2540-2547. DOI: 10.1016/S0006-3495(96)79825-9

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Tsodyks, MV, Skaggs, WE, Sejnowski, TJ, McNaughton, BL Dinamica della popolazione e precessione di fase del ritmo theta dell'attivazione delle cellule di posizione dell'ippocampo: un modello di neuroni spiking. (1996) Ippocampo. 6(3):271-280. DOI: 10.1002/(SICI)1098-1063(1996)6:3<271::AID-HIPO5

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Bell, AJ, Sejnowski, TJ Imparare la struttura di ordine superiore di un suono naturale. (1996) Rete. 7(2):261-267. DOI: 10.1088/0954-898X/7/2/005

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Montague, PR, Dayan, P., Sejnowski, TJ Un quadro per i sistemi di dopamina mesencefalici basati sull'apprendimento Hebbiano predittivo. (1996) Journal of Neuroscience. 16 (5): 1936-1947.

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Lytton, WW, Destexhe, A., Sejnowski, TJ Controllo delle oscillazioni lente nel neurone talamocorticale: un modello computerizzato. (1996) Neuroscienza. 70 (3): 673-684.

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Abbiamo studiato modelli computerizzati di un singolo neurone talamocorticale per valutare l'interazione tra canali intrinseci voltaggio-sensibili e input sinaptici corticali nella produzione dell'intervallo di frequenze di oscillazione osservato in queste cellule in vivo. Un modello morfologicamente dettagliato con canali ionici simili a quelli di Hodgkin-Huxley ha dimostrato che le proprietà intrinseche sarebbero sufficienti a produrre facilmente oscillazioni da 3 a 6 Hz. L'iperpolarizzazione della cellula modello ha ridotto la sua frequenza di oscillazione in modo monotono, sia tramite iniezione di corrente che tramite modulazione di una conduttanza del potassio, simulando la risposta a un input neuromodulatorio. Abbiamo eseguito un'analisi dettagliata di modelli altamente ridotti per determinare il meccanismo di questo controllo della frequenza. L'intervallo interburst era controllato da due meccanismi diversi a seconda della presenza o meno della corrente pacemaker, IH. In assenza di IH, la depolarizzazione durante l'intervallo interburst si verificava alla stessa velocità con diverse iniezioni di corrente. La differenza di voltaggio tra il nadir e la soglia per la corrente di calcio a bassa soglia, IT, determinava l'intervallo interburst. Al contrario, in presenza di IH, la velocità di depolarizzazione dipendeva dalla corrente iniettata. Con il modello completo, l'input sinaptico corticale ripetitivo simulato ha indotto oscillazioni fino a circa il doppio della frequenza naturale. L'input corticale ha anche prodotto prontamente un reset di fase. I nostri risultati suggeriscono che né il controllo ascendente del tronco encefalico, che altera l'iperpolarizzazione sottostante, né la spinta discendente da input corticali ripetitivi, sarebbero da soli sufficienti a produrre l'intervallo di frequenze di oscillazione osservato nei neuroni talamocorticali. Al contrario, i meccanismi neuronali intrinseci predominerebbero per generare le oscillazioni delta (0.5-4 Hz) osservate durante il sonno a onde lente, mentre le interazioni sinaptiche con la corteccia e il nucleo reticolare talamico sarebbero necessarie per oscillazioni più rapide nell'intervallo di frequenza della fusa (7-14 Hz).

Destexhe, A., Contreras, D., Steriade, M., Sejnowski, TJ, Ugonotto, JR Analisi in vivo, in vitro e computazionale delle correnti di calcio dendritiche nei neuroni reticolari talamici. (1996) Journal of Neuroscience. 16 (1): 169-185.

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Mainen, ZF, Joerges, J., Huguenard, JR, Sejnowski, TJ Un modello di inizio degli spike nei neuroni piramidali neocorticali. (1995) Neuron. 15 (6): 1427-1439.

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Gray, MS, Lawrence, DT, Golomb, BA, Sejnowski, TJ Un perceptron rivela il volto del sesso. (1995) Calcolo neurale. 7 (6): 1160-1164.

Bell, AJ, Sejnowski, TJ Un approccio di massimizzazione delle informazioni alla separazione cieca e alla deconvoluzione cieca. (1995) Calcolo neurale. 7 (6): 1129-1159.

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Destexhe, A., Sejnowski, TJ La cinetica di attivazione delle proteine G e la fuoriuscita dell'acido gamma-amminobutirrico potrebbero spiegare le differenze tra le risposte inibitorie nell'ippocampo e nel talamo. (1995) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 92 (21): 9515-9519.

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Montague, PR, Dayan, P., Persona, C., Sejnowski, TJ Ricerca di cibo da parte delle api in ambienti incerti mediante l'apprendimento predittivo ebraico. (1995) Natura. 377(6551):725-728. DOI: 10.1038/377725a0

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Sejnowski, TJ Reti neurali. Sonno e memoria. (1995) Biologia attuale 5 (8): 832-834.

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Sejnowski, TJ Riconoscimento di pattern. È il momento di un nuovo codice neurale? (1995) Natura. 376(6535):21-22. DOI: 10.1038/376021a0

Mainen, ZF, Sejnowski, TJ Affidabilità della temporizzazione degli impulsi nei neuroni neocorticali. (1995) Scienza. 268 (5216): 1503-1506.

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Prank, K., Nowlan, SJ, Harms, HM, Kloppstech, M., Brabant, G., Hesch, RD, Sejnowski, TJ Previsione delle serie temporali della concentrazione plasmatica degli ormoni. Evidenze di differenze nella prevedibilità della secrezione dell'ormone paratiroideo tra pazienti osteoporotici e controlli normali. (1995) Rivista di investigazione clinica. 95(6):2910-2919. DOI: 10.1172/JCI117998

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du Lac, S., Raymond, JL, Sejnowski, TJ, Lisberger, SG Apprendimento e memoria nel riflesso vestibolo-oculare. (1995) Rassegna annuale delle neuroscienze. 18:409-441. DOI: 10.1146/annurev.ne.18.030195.002205

Giullare, JM, Campbell, LW, Sejnowski, TJ EPSP associativo: potenziamento dei picchi indotto dall'associazione di stimolazione ortodromica e antidromica in fette di ippocampo di ratto. (1995) Rivista di fisiologia. 484 (Pt 3:689-705.

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1. L'associazione di stimolazione ortodromica a bassa frequenza con condizionamento antidromico ad alta frequenza delle cellule piramidali nell'area CA1 dell'ippocampo di ratto ha determinato un potenziamento a lungo termine del picco di popolazione extracellulare delle cellule, senza un aumento concomitante del potenziale postsinaptico eccitatorio extracellulare (EPSP), indicando un aumento dell'accoppiamento EPSP-picco (ES), chiamato anche potenziamento ES. 2. L'ampiezza del potenziamento ES condizionato antidromicamente ha impiegato fino a 60 minuti per raggiungere il suo picco, molto più a lungo del potenziamento sinaptico a lungo termine (LTP) indotto dalla stimolazione tetanica ortodromica. 3. L'ampiezza del picco di popolazione di un input ortodromico di controllo, che stimolava un insieme separato di fibre e che era inattivo durante l'associazione, è risultata anch'essa aumentata in oltre la metà delle sezioni testate. Il fatto che possa influenzare una via silente suggerisce che il potenziamento ES condizionato antidromicamente non venga generato localmente nelle sinapsi tetanizzate. 4. L'applicazione in bagno di 50 microM di acido D,L-2-ammino-5-fosfonovalerico (AP5) ha bloccato l'induzione del potenziamento ES condizionato antidromicamente. Dopo il lavaggio dell'AP5, la stessa stimolazione ha determinato un aumento del picco di popolazione. Ciò suggerisce che l'attivazione del sottotipo NMDA del recettore del glutammato sia necessaria per l'induzione di questa forma di potenziamento ES. 5. L'applicazione di 10 microM di picrotossina e/o 10 microM di bicucullina, che bloccano l'inibizione mediata dai recettori dell'acido gamma-amminobutirrico A (GABAA), non ha ridotto il potenziamento ES condizionato antidromicamente. Pertanto, la plasticità nell'inibizione mediata da GABAA non può spiegare l'aumentata ampiezza del picco di popolazione. 6. Il potenziamento ES non ha aumentato l'ampiezza degli EPSP extracellulari o intracellulari registrati a livello del corpo cellulare.

Nowlan, SJ, Sejnowski, TJ Un modello di selezione per l'elaborazione del movimento nell'area MT dei primati. (1995) Journal of Neuroscience. 15 (2): 1195-1214.

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Destexhe, A., Contreras, D., Sejnowski, TJ, Steriade, M. Modellazione del controllo delle oscillazioni reticolari talamiche da parte dei neuromodulatori. (1994) Neuroreport. 5 (17): 2217-2220.

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Destexhe, A., Mainen, ZF, Sejnowski, TJ Sintesi di modelli per membrane eccitabili, trasmissione sinaptica e neuromodulazione utilizzando un formalismo cinetico comune. (1994) Rivista di neuroscienze computazionali. 1 (3): 195-230.

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Destexhe, A., Contreras, D., Sejnowski, TJ, Steriade, M. Un modello di ritmicità del fuso nel nucleo reticolare talamico isolato. (1994) Journal of Neurofisiologia. 72 (2): 803-818.

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1. Le proprietà oscillatorie del talamo reticolare isolato (RE) sono state modellate utilizzando modelli compartimentali di cellule RE. Modelli cinetici di tipo Hodgkin-Huxley dei canali ionici sono stati derivati da dati di clamp di tensione e corrente provenienti da cellule RE. Le interazioni tra cellule RE interconnesse sono state simulate utilizzando un modello cinetico di sinapsi inibitorie dell'acido gamma-amminobutirrico (GABA). 2. Le proprietà intrinseche di bursting delle cellule RE nel modello erano dovute alla presenza di una corrente Ca2+ a bassa soglia e di due correnti attivate da Ca(2+). Le proprietà di queste cellule RE modello sono state confrontate con quelle dei neuroni RE registrati intracellularmente in vivo nei gatti. 3. Le cellule RE modello densamente interconnesse con sinapsi GABAA hanno prodotto oscillazioni sincrone a una frequenza prossima a quella dei fusi (7-14 Hz). Anche le reti di neuroni RE organizzate in un array bidimensionale con connettività solo prossimale hanno mostrato oscillazioni sincronizzate nell'intervallo del fuso. Inoltre, la rete connessa prossimalmente ha mostrato periodi di alta e bassa sincronicità, dando origine a oscillazioni crescenti e calanti nella popolazione di cellule RE. 4. Il comportamento spaziotemporale della rete è stato studiato durante le oscillazioni crescenti e calanti. La crescita e la diminuzione sono emerse come un'alternanza tra periodi di attività desincronizzata e sincronizzata, corrispondenti a periodi di attività spaziale irregolare e coerente. Durante i periodi sincronizzati, la rete ha mostrato onde coerenti propaganti di attività sincrona che avevano la tendenza a formare spirali. 5. Le reti di neuroni RE modello completamente connesse tramite sinapsi GABAB hanno mostrato oscillazioni perfettamente sincrone a frequenze più basse (0.5-1 Hz), ma le reti bidimensionali con connettività GABAB prossimale non sono riuscite a sincronizzarsi. 6. Queste simulazioni dimostrano che reti di neuroni modello che includono le principali correnti intrinseche presenti nelle cellule RE possono generare un'attività oscillatoria crescente e calante simile alla ritmicità del fuso osservata nel nucleo RE isolato in vivo. Il modello rivela l'interazione tra le proprietà ritmiche intrinseche delle cellule RE e le rapide interazioni sinaptiche nell'organizzazione della ritmicità sincronizzata.

Bush, PC, Sejnowski, TJ Effetti dell'inibizione e della saturazione dendritica nelle cellule piramidali neocorticali simulate. (1994) Journal of Neurofisiologia. 71 (6): 2183-2193.

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1. Abbiamo utilizzato modelli compartimentali di neuroni piramidali ricostruiti dagli strati 2 e 5 della corteccia visiva di gatto per studiare la sommatoria non lineare dell'input sinaptico eccitatorio e l'efficacia dell'input inibitorio nel contrastare questa eccitazione. 2. In simulazioni che corrispondono alle condizioni di un recente esperimento, la saturazione dendritica è risultata significativa per i livelli fisiologici di attivazione sinaptica: un potenziale postsinaptico eccitatorio composto (EPSP) evocato elettricamente durante una depolarizzazione causata da attivazione sinaptica fisiologica è risultato ridotto fino all'80% rispetto a un EPSP evocato a riposo. 3. L'inibizione sinaptica deve essere co-attivata con l'eccitazione per corrispondere quantitativamente ai risultati sperimentali. La co-attivazione dell'inibizione con l'eccitazione osservata sperimentalmente ha prodotto ulteriori shunt di corrente che hanno amplificato la diminuzione dell'ampiezza dell'EPSP del test. Circa il 30% della diminuzione dell'ampiezza dell'EPSP osservata sperimentalmente è stata causata da diminuzioni della resistenza di ingresso (Rin) dovute a variazioni della conduttanza sinaptica; una ridotta forza motrice ha spiegato la diminuzione rimanente. 4. L'entità dell'inibizione è stata quindi aumentata di quasi un ordine di grandezza, fino a circa il 10% del numero totale di sinapsi inibitorie su una tipica cellula piramidale corticale. L'attivazione sostenuta di così tanti input inibitori è stata sufficiente a sopprimere completamente l'attivazione di un neurone che riceveva un forte input eccitatorio. Tuttavia, questo livello di inibizione ha prodotto una riduzione molto significativa di Rin. Riduzioni così elevate di Rin non sono state osservate sperimentalmente, suggerendo che l'inibizione nella corteccia non agisce da veto (shunt) a input eccitatori forti e sostenuti (dell'ordine di 100 ms). 5. Proponiamo invece che un'attivazione forte e transitoria (< 10 ms) degli input inibitori di un neurone, sufficiente a impedire brevemente l'attivazione, venga utilizzata per modellare la struttura temporale del treno di impulsi di output della cellula. Nello specifico, l'inibizione corticale può servire a sincronizzare l'attivazione di gruppi di cellule piramidali durante la stimolazione ottimale.

Pouget, A., Sejnowski, TJ Un modello neurale della rappresentazione corticale della distanza egocentrica. (1994) Corteccia cerebrale. 4 (3): 314-329.

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Montague, PR, Sejnowski, TJ Il cervello predittivo: coincidenza temporale e ordine temporale nei meccanismi di apprendimento sinaptico. (1994) Apprendimento e memoria. 1 (1): 1-33.

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Destexhe, A., McCormick, DA, Sejnowski, TJ Un modello per la fusificazione a 8-10 Hz nei neuroni talamici e reticolari interconnessi. (1993) Giornale Biofisico. 65(6):2473-2477. DOI: 10.1016/S0006-3495(93)81297-9

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Steriade, M., McCormick, DA, Sejnowski, TJ Oscillazioni talamocorticali nel cervello addormentato e eccitato. (1993) Scienza. 262 (5134): 679-685.

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Destexhe, A., Babloyantz, A., Sejnowski, TJ Meccanismi ionici per le oscillazioni lente intrinseche nei neuroni relè talamici. (1993) Giornale Biofisico. 65(4):1538-1552. DOI: 10.1016/S0006-3495(93)81190-1

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Berns, GS, Dayan, P., Sejnowski, TJ Un modello correlazionale per lo sviluppo della selettività di disparità nella corteccia visiva che dipende dalle fasi prenatali e postnatali. (1993) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 90 (17): 8277-8781.

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Lockery, SR, Sejnowski, TJ La sanguisuga computazionale. (1993) Tendenze nelle neuroscienze. 16 (7): 283-290.

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Lockery, SR, Sejnowski, TJ Un limite inferiore per la rilevabilità dell'apprendimento non associativo nel riflesso di flessione locale della sanguisuga medicinale. (1993) Behav. Neural Biol. 59 (3): 208-224.

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Pouget, A., Fisher, SA, Sejnowski, TJ Rappresentazione egocentrica delle uova nella visione precoce. (1993) Journal of Cognitive Neuroscience. 5(2):150-161. DOI: 10.1162/jocn.1993.5.2.150

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Bush, PC, Sejnowski, TJ Modelli compartimentali ridotti delle cellule piramidali neocorticali. (1993) Rivista di metodi di neuroscienza. 46 (2): 159-166.

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Lisberger, SG, Sejnowski, TJ Apprendimento motorio in un modello di rete ricorrente basato sul riflesso vestibolo-oculare. (1992) Natura. 360(6400):159-161. DOI: 10.1038/360159a0

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Lockery, SR, Sejnowski, TJ Elaborazione distribuita delle informazioni sensoriali nella sanguisuga. III. Un modello di rete neurale dinamica del riflesso di flessione locale. (1992) Journal of Neuroscience. 12 (10): 3877-3895.

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La sottopopolazione di interneuroni identificati nel riflesso di flessione locale riceve molteplici input dai meccanocettori dorsali e ventrali e ha output verso i motoneuroni dorsali e ventrali. Le loro connessioni suggeriscono un meccanismo di elaborazione distribuito in cui il ritiro da stimoli dorsali, ventrali o laterali è controllato da una singola popolazione di circa 40 interneuroni multifunzionali, ma non è chiaro se siano necessari interneuroni aggiuntivi dedicati a input specifici per spiegare ciascun tipo di flessione. Ci siamo quindi chiesti se fosse possibile costruire un modello che riproducesse tutti i comportamenti senza interneuroni dedicati. Gli interneuroni nel modello erano vincolati a ricevere input sia dorsali che ventrali. L'intensità delle connessioni è stata regolata mediante ottimizzazione della discesa del gradiente fino a quando il modello non ha riprodotto l'ampiezza e l'andamento temporale dei potenziali sinaptici dei motoneuroni nelle registrazioni intracellulari della risposta a molti stimoli diversi. Dopo l'ottimizzazione, la somiglianza tra il modello e gli interneuroni identificati ha mostrato che non sono necessari interneuroni aggiuntivi dedicati per produrre tutte le forme del comportamento. L'ottimizzazione riuscita di reti con un numero di interneuroni molto inferiore ha mostrato che la rete di 40 interneuroni è ridondante, sollevando la possibilità che gli interneuroni abbiano funzioni aggiuntive. Infine, l'ottimizzazione di reti con vincoli aggiuntivi ha prodotto corrispondenze migliori con alcuni degli interneuroni identificati e ha dimostrato che la flessione locale può essere prodotta da due popolazioni di interneuroni: una con output coerenti con la flessione dorsale, l'altra con la flessione ventrale. Ciò suggerisce un modello semplice in cui due tipi principali di interneuroni producono molti comportamenti diversi e predice il tipo di interneurone che deve ancora essere identificato.

Lehky, SR, Sejnowski, TJ, Desimone, R. Previsione delle risposte dei neuroni non lineari nella corteccia striata delle scimmie a modelli complessi. (1992) Journal of Neuroscience. 12 (9): 3568-3581.

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La stragrande maggioranza dei neuroni nella corteccia visiva dei primati è non lineare. Per queste cellule, le tecniche di analisi dei sistemi lineari, utilizzate con un certo successo per modellare le cellule gangliari retiniche e le cellule striate semplici, hanno un'applicabilità limitata. Per iniziare a comprendere le proprietà dei neuroni visivi non lineari, abbiamo registrato le risposte delle cellule striate complesse a centinaia di immagini, inclusi sia stimoli semplici (barre e sinusoidi) sia stimoli complessi (texture casuali e superfici ombreggiate 3D). Quest'ultimo insieme tendeva a fornire la risposta più intensa. Abbiamo creato un modello di rete neurale per ciascun neurone utilizzando un algoritmo di ottimizzazione iterativo. Le risposte registrate ad alcuni pattern di stimolo (il training set) sono state utilizzate per creare il modello, mentre le risposte ad altri pattern sono state riservate per testare le reti. Le reti hanno previsto le risposte registrate ai pattern del training set con una correlazione mediana di 0.95. Sono stati in grado di prevedere le risposte a stimoli di test non presenti nel set di addestramento con una correlazione complessiva di 0.78 e di 0.65 per stimoli complessi considerati singolarmente. Pertanto, sono stati in grado di catturare gran parte della funzione di trasferimento input/output dei neuroni, anche per pattern complessi. Esaminando la forza delle connessioni all'interno di ciascuna rete, diverse parti della rete sembravano gestire informazioni a diverse scale spaziali. Per ottenere ulteriori approfondimenti, i modelli di rete sono stati invertiti per costruire stimoli "ottimali" per ciascuna cellula e i loro campi recettivi sono stati mappati con spot ad alta risoluzione. Le proprietà del campo recettivo delle cellule complesse non potevano essere ridotte a una formulazione matematica più semplice dei modelli di rete stessi.

Lytton, WW, Sejnowski, TJ Modello computerizzato dell'effetto dell'etosuccimide su un neurone talamico. (1992) Ann. Neurol. 32(2):131-139. DOI: 10.1002/ana.410320204

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Sejnowski, TJ Modelli di visione. (1992) Scienza. 257(5070):687-688. DOI: 10.1126/science.257.5070.687

Wathey, JC, Lytton, WW, Jester, JM, Sejnowski, TJ Simulazioni al computer del potenziamento del picco EPSP (ES) nelle cellule piramidali CA1 dell'ippocampo. (1992) Journal of Neuroscience. 12 (2): 607-618.

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Holliday, J., Adams, RJ, Sejnowski, TJ, Spitzer, Carolina del Nord Il rilascio di calcio indotto dal calcio regola la differenziazione dei neuroni spinali coltivati. (1991) Neuron. 7 (5): 787-796.

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Lytton, WW, Sejnowski, TJ Simulazioni di neuroni piramidali corticali sincronizzati da interneuroni inibitori. (1991) Journal of Neurofisiologia. 66 (3): 1059-1079.

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1. L'interazione tra interneuroni inibitori e neuroni piramidali corticali è stata studiata mediante simulazioni al computer per verificare se gli interneuroni inibitori potessero contribuire all'aggancio di fase delle cellule postsinaptiche. Sono stati utilizzati due modelli: un modello semplificato, che includeva solo 3 canali di membrana, e un modello dettagliato a 11 canali. 2. Il modello a 11 canali includeva la maggior parte dei canali ionici noti per essere presenti nei neuroni piramidali neocorticali, nonché la diffusione del calcio e altri meccanismi di membrana. La cinetica dei canali è stata ottenuta da studi di voltage-clamp in una varietà di preparati. I parametri sono stati quindi regolati per produrre un bursting ripetitivo simile a quello osservato in alcune cellule piramidali corticali sottoposte a stimolazione visiva. 3. L'aggancio di fase a una serie di potenziali postsinaptici inibitori (IPSP) localizzati sul soma o in prossimità di esso è stato osservato nella cellula modello a 3 canali sottoposta a bombardamento sinaptico casuale. Nel modello a 11 canali, il blocco di fase dovuto a più IPSP è stato confrontato con il blocco di fase dovuto a più potenziali postsinaptici eccitatori (EPSP). Il blocco di fase iniziava a verificarsi quando il 20% degli IPSP (20/100) o il 40% degli EPSP (4,000/10,000) erano sincronizzati. Le percentuali esatte differivano nei diversi modelli a 11 canali, ma sia gli EPSP che gli IPSP generalmente producevano un trascinamento con circa il 40% di sincronizzazione. Pertanto, 40 bottoni inibitori avevano un effetto equivalente a 4,000 bottoni eccitatori nel produrre il blocco di fase. 4. Il blocco di fase con gli IPSP in questi modelli era possibile perché gli IPSP potevano causare un aumento o una diminuzione della frequenza di scarica in un intervallo limitato. Gli IPSP svolgevano un ruolo modulatorio, aumentando la frequenza di scarica in alcuni casi e diminuendola in altri, a seconda dello stato della cellula. 5. Abbiamo esaminato l'entrainment di frequenza da parte degli IPSP. Nel modello a 3 canali, l'entrainment di frequenza di una cellula postsinaptica è stato osservato con un treno rapido di IPSP composti, brevi e intensi (20-100 nS). Un treno di IPSP composti a 40 Hz e 60 nS ha coinvolto cellule con frequenze di scarica iniziali comprese tra 32 e 47 Hz. Al di sotto di questo intervallo, le cellule potevano essere parzialmente coinvolte. Al di sopra di questo intervallo, l'entrainment falliva. L'entrainment di frequenza nel modello a 3 canali si verificava generalmente nel primo ciclo dopo l'inizio degli IPSP. 6. Il bloccaggio di fase e l'entrainment di frequenza erano meno robusti nel modello a 11 canali. Ciò era in parte dovuto al fatto che venivano coinvolti burst piuttosto che singoli picchi. Un treno di IPSP composti a 40 Hz e 90 nS ha coinvolto una cellula modello verso l'alto a partire da 34 Hz. Si è verificato anche un entrainment di frequenza verso il basso. (ABSTRACT TRONCATO A 400 PAROLE)

Bush, PC, Sejnowski, TJ Simulazioni di una cellula di Purkinje cerebellare ricostruita basata sulla cinetica semplificata dei canali. (1991) Calcolo neurale. 3(3):321-332. DOI: 10.1162/neco.1991.3.3.321

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Sejnowski, TJ Neuroscienze. Di nuovo insieme. (1991) Natura. 352(6337):669-670. DOI: 10.1038/352669a0

Stanton, PK, Chattarji, S., Sejnowski, TJ L'acido 2-ammino-3-fosfonopropionico, un inibitore del turnover dei fosfoinositidi stimolato dal glutammato, blocca l'induzione della depressione omosinaptica a lungo termine, ma non il potenziamento, nell'ippocampo del ratto. (1991) Neurosci. Lett. 127 (1): 61-66.

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Sejnowski, TJ Meccanismi sinaptici per la depressione a lungo termine. (1991) Biologia attuale 1 (1): 38-40.

Qian, N., Sejnowski, TJ Quando è efficace una sinapsi inibitoria? (1990) Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America. 87 (20): 8145-8149.

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Lehky, SR, Sejnowski, TJ Modello neurale di stereoacuità e interpolazione della profondità basato su una rappresentazione distribuita della disparità stereo. (1990) Journal of Neuroscience. 10 (7): 2281-2299.

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Abbiamo sviluppato un modello per la rappresentazione della disparità stereoscopica da parte di una popolazione di neuroni, basato su curve di sintonizzazione simili per forma a quelle misurate fisiologicamente (Poggio e Fischer, 1977). L'analisi del rilevamento del segnale è stata applicata al modello per generare previsioni delle soglie di discriminazione della profondità. L'accordo tra il modello e i dati psicofisici umani è stato possibile in questo modello solo quando la dimensione della popolazione che rappresenta la disparità in una piccola porzione di campo visivo era compresa tra circa 20 e 200 unità. La codifica a intervalli e la codifica a frequenza sono risultate incoerenti con questi dati. I dati psicofisici sull'interpolazione stereoscopica (Westheimer, 1986a) suggeriscono che vi siano interazioni eccitatorie a corto raggio e inibitorie a lungo raggio tra unità sintonizzate sulla disparità in posizioni spaziali vicine. Abbiamo esteso il nostro modello di popolazione di codifica della disparità in una singola posizione spaziale per includere tali interazioni laterali. In presenza di un piccolo gradiente di disparità tra gli stimoli in due posizioni, le unità nella posizione intermedia, non stimolata, sviluppavano un pattern di attività corrispondente alla media delle due disparità laterali. In presenza di un ampio gradiente di disparità, le unità nella posizione intermedia sviluppavano un pattern di attività corrispondente a una sovrapposizione indipendente delle due disparità laterali, in modo che entrambe le disparità fossero rappresentate simultaneamente. Questo pattern di popolazione mista potrebbe essere alla base della percezione delle discontinuità di profondità e delle superfici trasparenti. Simili tipi di rappresentazioni distribuite potrebbero essere applicabili ad altri parametri, come orientamento, movimento, dimensione dello stimolo e coordinate motorie.

Lehky, SR, Sejnowski, TJ Modello di rete neurale della corteccia visiva per determinare la curvatura della superficie da immagini di superfici ombreggiate. (1990) Atti della Royal Society di Londra. Serie B, Scienze biologiche. 240 (1298): 251-278.

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Lehky, SR, Pouget, A., Sejnowski, TJ Modelli neurali della percezione binoculare della profondità. (1990) Simposi di biologia quantitativa a Cold Spring Harbor. 55: 765-777.

Chattarji, S., Stanton, PK, Sejnowski, TJ Le sinapsi commissurali, ma non le sinapsi delle fibre muscoidi, nel campo CA3 dell'ippocampo mostrano un potenziamento e una depressione associativi a lungo termine. (1989) Ricerca sul cervello. 495 (1): 145-50.

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Stanton, PK, Sejnowski, TJ Depressione associativa a lungo termine nell'ippocampo indotta dalla covarianza hebbiana. (1989) Natura. 339(6221):215-8. DOI: 10.1038/339215a0

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Churchland, PS, Sejnowski, TJ Prospettive sulla neuroscienza cognitiva. (1988) Scienza. 242 (4879): 741-5.

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Sejnowski, TJ, Koch, C., Churchland, PS Neuroscienze computazionali. (1988) Scienza. 241 (4871): 1299-306.

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Qian, N., Sejnowski, TJ Previsione della struttura secondaria delle proteine globulari mediante modelli di reti neurali. (1988) Rivista di biologia molecolare. 202 (4): 865-84.

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Lehky, SR, Sejnowski, TJ Modello di rete della forma derivante dall'ombreggiatura: la funzione neurale deriva sia dai campi recettivi che da quelli proiettivi. (1988) Natura. 333(6172):452-4. DOI: 10.1038/333452a0

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Sejnowski, TJ Rivelate le popolazioni neurali. (1988) Natura. 332(6162):308. DOI: 10.1038/332308a0

Kienker, PK, Sejnowski, TJ, Hinton, GE, Schumacher, LE Separazione della figura dallo sfondo con una rete parallela. (1986) Percezione. 15(2):197-216. DOI: 10.1068/p150197

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Ballard, DH, Hinton, GE, Sejnowski, TJ Calcolo visivo parallelo. (1983) Natura. 306 (5938): 21-6.

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Kuffler, SW, Sejnowski, TJ Eccitazione peptidergica e muscarinica nelle sinapsi simpatiche degli anfibi. (1983) Rivista di fisiologia. 341: 257-78.

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È stato utilizzato un clamp di tensione a singolo elettrodo per studiare le correnti postsinaptiche eccitatorie muscariniche lente e peptidergiche lente tardive (epscs) nelle cellule B dei gangli simpatici paravertebrali della rana toro. Sono state misurate diminuzioni di conduttanza durante le epsc peptidergiche in quasi tutte le cellule a potenziali di clamp vicino al livello di riposo. In circa metà delle cellule, le dimensioni delle epsc peptidergiche sono aumentate con l'iperpolarizzazione e in alcune di queste cellule sono stati riscontrati aumenti di conduttanza a livelli iperpolarizzati. Nelle cellule rimanenti, si sono verificate diminuzioni di conduttanza a tutti i livelli di potenziale di membrana testati e in alcune di queste la polarità delle epsc si è invertita a potenziali iperpolarizzati. Una diversità simile è stata osservata tra le epsc muscariniche. Sono necessari almeno due semplici meccanismi ionici per spiegare le dipendenze eterogenee di voltaggio osservate: una diminuzione di conduttanza principalmente al K+ che domina a potenziali depolarizzati e un aumento di conduttanza ad altri ioni che è più evidente a potenziali iperpolarizzati. La proporzione di questi due meccanismi sembra differire tra le cellule B. I due EPSC lenti registrati nello stesso neurone presentavano la stessa dipendenza dal voltaggio ed erano accompagnati dalle stesse variazioni di conduttanza in ciascuna delle otto cellule, nonostante le differenze tra le cellule. L'EPSC muscarinico si è ridotto durante l'EPSC peptidergico in ciascuno dei venticinque neuroni testati su un intervallo di potenziali di membrana. L'ormone di rilascio dell'ormone luteinizzante (LHRH) applicato esternamente ha prodotto correnti con la stessa dipendenza dal voltaggio e variazioni di conduttanza dell'EPSC peptidergico evocato dal nervo in ciascuna delle quindici cellule testate. Il betanecolo, un agonista muscarinico, e l'LHRH hanno prodotto correnti con la stessa dipendenza dal voltaggio e variazioni di conduttanza in ciascuna delle dodici cellule studiate. In diverse cellule, una risposta saturante a un'applicazione prolungata di LHRH ha completamente occluso la risposta al betanecolo e viceversa. Correnti lente sono state registrate da corpi cellulari dissociati in risposta al betanecolo e all'LHRH; Queste risposte hanno mostrato la stessa diversità di dipendenza dal voltaggio e di variazioni di conduttanza osservate nei gangli intatti. L'attivazione dei recettori muscarinici e peptidergici può controllare meccanismi ionici condivisi nelle singole cellule gangliari.

Sejnowski, TJ, Yodlowski, ML Uno studio di fratturazione da congelamento dell'elettrorecettore della razza. (1982) Journal of Neurocytology. 11 (6): 897-912.

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L'epitelio sensoriale che riveste l'ampolla di Lorenzini nella razza è stato esaminato con la tecnica del criofratturazione. Giunzioni strette anastomizzate (zonula occludens) circondano completamente l'apice di ciascuna cellula recettrice, unendola alle cellule di supporto adiacenti. Le giunzioni strette separano due regioni distinte della superficie della cellula recettrice. La faccia P apicale presenta numerose particelle di grandi dimensioni, mentre appena sotto le giunzioni strette della superficie laterale sono presenti molte particelle più piccole. Sulla sua superficie basale, ciascuna cellula recettrice forma diverse sinapsi a nastro evaginanti con un nervo afferente. Tre regioni dell'evaginazione sinaptica possono essere distinte sulla base delle specializzazioni di membrana: 1. All'apice dell'evaginazione, una serie regolare di particelle di grandi dimensioni si trova sulla faccia P della cellula recettrice, direttamente opposta a una serie regolare analoga di particelle di grandi dimensioni sulla faccia P del nervo afferente; 2. appena sopra la punta, in corrispondenza di una stretta costrizione, al di sotto della quale non si trovano vescicole, una popolazione di particelle di grandi dimensioni sulla faccia P della cellula recettrice si oppone a una striscia ben definita di particelle di grandi dimensioni che si scinde con la faccia E della fibra nervosa; 3. all'arco dell'evaginazione sinaptica si trovano fossette casuali sulla faccia P e protrusioni sulla faccia E della cellula recettrice. La densità di queste protrusioni è aumentata nei pattini che sono stati stimolati elettricamente. Suggeriamo che le schiere coestensive di particelle all'apice della sinapsi a nastro siano una giunzione intercellulare; che la zona attiva della sinapsi si trovi in corrispondenza o al di sopra della costrizione; e che il recupero della membrana avvenga nella regione dell'arco sinaptico.

Sejnowski, TJ Trasmissione sinaptica peptidergica nei gangli simpatici. (1982) Atti della Federazione. 41 (13): 2923-8.

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Paton, JA, Kelley, DB, Sejnowski, TJ, Yodlowski, ML Mappatura del sistema nervoso centrale uditivo di Xenopus laevis con autoradiografia al 2-desossiglucosio. (1982) Ricerca sul cervello. 249 (1): 15-22.

Reingold, Carolina del Sud, Sejnowski, TJ, Gelperin, A., Kelley, DB Autoradiografia con [3H]-2-desossiglucosio nel sistema nervoso di un mollusco. (1981) Ricerca sul cervello. 208 (2): 416-20.

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Sejnowski, TJ, Reingold, SC, Kelley, DB, Gelperin, A. Localizzazione del [3H]-2-desossiglucosio nei singoli neuroni dei molluschi. (1980) Natura. 287 (5781): 449-51.

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Sejnowski, TJ Vincoli statistici sulla plasticità sinaptica. (1977) Rivista di biologia teorica. 69 (2): 385-9.

Sejnowski, TJ Memorizzazione della covarianza con neuroni che interagiscono in modo non lineare. (1977) Rivista di biologia matematica. 4 (4): 303-21.

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Sejnowski, TJ Sulla dinamica stocastica dell'interazione neuronale. (1976) Cibernetica biologica. 22 (4): 203-11.

Sejnowski, TJ Sulle proprietà globali dell'interazione neuronale. (1976) Biol Cybern. 22 (2): 85-95.

Dott. Terrence Sejnowski

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