Neuronal networks – from circuit to behaviour
- Reference number
- FFL18-0112
- Project leader
- Boije, Henrik
- Start and end dates
- 200401-250228
- Amount granted
- 12 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Life Sciences
Summary
Elementary circuits, such as the spinal locomotor network, can provide insights into the vast complexity of the human brain. This network creates rhythmic output to muscles and coordinate left/right alternation but it is largely unknown how different movement patterns are orchestrated. A population of interneurons was recently found to be crucial for the transition between locomotor patterns, gaits, in horses and mice. We use zebrafish, which allows for unique in vivo analyses, to reveal the development, circuitry and function of these gait-interneurons. Given the speed dependent microcircuits in zebrafish, and the locomotor phenotype in mammals, we hypothesize that gait-interneurons act as a gearbox to facilitate speed and gait transitions. Preliminary data reveals a role for gait-interneurons related to acceleration and in vivo time-lapse imaging and single cell RNA-sequencing show sub-functionalization within the population. We intend to disclose the functionality of the subpopulations by correlating morphology and firing properties of individual neurons to their molecular fingerprint. By combining state-of-the-art optogenetic and calcium imaging techniques with behavioural analyses we will test the gearbox hypothesis and connect neuronal signalling at a cellular level with the locomotor output during speed transitions. Spanning the formation, function and behavioural output of a neural network, we will investigate how complex traits are encoded by participating neurons.
Popular science description
Vårt nervsystem är det mest komplicerade organ vi känner till med cirka 100 miljarder celler av uppskattningsvis 10 000 olika typer. Genom att studera mindre, väl definierade nervkretsar, kan vi öka vår förståelse av hur nervsystemet bildas och fungerar som helhet. Det motoriska nätverket i ryggmärgen kan ses som en metronom som genererar rytmiska signaler till musklerna. I zebrafisk har man identifierat tre sub-moduler av det lokomotoriska nätverket som aktiveras vid långsamma, intermediära och snabba simrörelser. Genom att rekrytera olika moduler av nätverket vid olika hastigheter kan koordinationen inom och mellan olika ryggmärgssegment optimeras för det önskade rörelsemönstret. Det finns indirekta bevis för en liknande sub-modularitet hos människa där olika faser av rörelser, och olika rörelser, kan kopplas till specifik rekrytering av nervceller i ryggmärgen. Genom att studera hur regleringen av hastighetsmoduler sker hos zebrafisk kan vi lära oss grunderna till hur fasta nätverk samarbetar och koordineras för att skapa komplexa rörelser. Ambitionen är att koppla samman hur en krets bildas med hur den fungerar, både på cellulär nivå men även på organismnivå, vilket ger projektet en originell aspekt. Denna studie kommer att öka vår kunskap om hur nervsystemet bildas och hur det fungerar. Detta är ett kritiskt steg för att förstå effekten av sjukdomar och skador som påverkar dessa neurala kretsar. Specifikt i ryggmärgen finns det autoimmuna och degenerativa sjukdomar, ALS och spinal muskelatrofi, samt traumatiska ryggmärgsskador som påverkar det lokomotoriska nätverket. Dessa kan alla ge upphov till störda rörelsemönster. Insikter i hur det lokomotoriska nätverket bildas och fungerar kan leda till utvecklandet av nya metoder för att minimera sjukdomens/skadans omfattning och eventuellt återskapa delar av de motoriska funktionerna.