4/21/14 Connecting Neural Connections The B rain R esearch - - PDF document

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Connecting Neural Connections to Behavior

• Josh Titlow, Ph.D.

“The ¡ Brain ¡ Research ¡ through ¡ Advancing ¡ Innova6ve ¡ Neurotechnologies ¡ (BRAIN) ¡ Ini6a6ve ¡ is ¡ part ¡ of ¡ a ¡ new ¡ Presiden6al ¡ focus ¡ aimed ¡ at ¡ revolu6onizing ¡our ¡understanding ¡of ¡the ¡human ¡brain. ¡By ¡accelera6ng ¡the ¡ development ¡and ¡applica6on ¡of ¡innova6ve ¡technologies, ¡researchers ¡will ¡ be ¡able ¡to ¡produce ¡a ¡revolu6onary ¡new ¡dynamic ¡picture ¡of ¡the ¡brain ¡that, ¡ for ¡the ¡first ¡6me, ¡shows ¡how ¡individual ¡cells ¡and ¡complex ¡neural ¡circuits ¡ interact ¡in ¡both ¡:me ¡and ¡space. ¡Long ¡desired ¡by ¡researchers ¡seeking ¡new ¡ ways ¡to ¡treat, ¡cure, ¡and ¡even ¡prevent ¡brain ¡disorders, ¡this ¡picture ¡will ¡fill ¡ major ¡ gaps ¡ in ¡ our ¡ current ¡ knowledge ¡ and ¡ provide ¡ unprecedented ¡

• pportuni6es ¡for ¡exploring ¡exactly ¡how ¡the ¡brain ¡enables ¡the ¡human ¡body ¡

to ¡ record, ¡ process, ¡ u6lize, ¡ store, ¡ and ¡ retrieve ¡ vast ¡ quan66es ¡ of ¡ informa6on, ¡all ¡at ¡the ¡speed ¡of ¡thought.” ¡ ¡

• C. elegans
• D. melanogaster
• H. sapiens
• D. rerio
• M. musculus

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Deep Homology of Arthropod Central Complex and Vertebrate Basal Ganglia Strausfeld and Hirth, 2013 Science

Dopaminergic pathways Inhibitory pathways Excitatory and regulatory pathways Descending pathways

OTX2

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Steps to a comprehensive understanding of nervous system function Step 1- Anatomy

• Generate a complete wiring diagram
• Step 2- Physiology

Generate functional connectivity map

• Step 3- Behavior
• Correlate circuits with behavior
• Steps to a comprehensive understanding of

nervous system function

• Step 3- Behavior
• Correlate circuits with behavior
• Edwards et al., 2009

Circuit breaking the old-fashioned way. Circuit breaking with optical recording

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Circuit breaking with genetics

Flood et al., 2013- Nature

Proboscis extension is a fixed action pattern

R22A05-Gal4 x UAS-cd8:GFP

Heat activation of neurons to study behavioral circuits

R22A05- 0 sec 34°C R22A05- 30 sec 34°C

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Flood et al., 2013- Nature

Enhancing cellular resolution

Flood et al., 2013- Nature

A command neuron for feeding behavior

Anatomical motif of command neurons

• P. Americana
• P. clarkia- Lateral giant
• H. sapiens- Purkinje?
• D. rerio- Mauthner neuron?
• D. melanogaster- GF

The command neuron experiment

“Cell should be necessary and sufficient for the behavior” Kupfermann and Weiss, 1978 Crayfish escape circuit- a prototypical command neuron

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Eaton et al., 2005- Progress in Neurobiology

The C-start escape response

Eaton et al., 2005- Progress in Neurobiology

The C-start escape response Eaton et al. take offense to the command neuron experiment

“If the CNE is not perceived as being simply wrong, approaches such as this should at least seem quaint in light of the fact that highly interconnected networks can now be quantitatively simulated and evaluated with computer models (for an example of a Mauthner model, see Guzik et al., 1999). Here the understanding of the role

• f network elements does not have to depend on the

uncertain lexical implications of terms such as necessity and sufficiency.”

• Eaton et al., 2005- Progress in Neurobiology

Different interpretations of the command neuron experiment

Eaton et al., 2005- Progress in Neurobiology

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Parallel pathway for command-like neurons

Eaton et al., 2005- Progress in Neurobiology

Synaptic integration in a command-like neuron

Korn and Faber, 2005- Neuron

Summary

Korn and Faber, 2005- Neuron

• Command-like neurons and segmental

homologues are a common feature of nerve cords.

• Neural networks that control behavior are

hierarchical.

• Transgenic organisms are a powerful tool to

analyze neural networks.

Vogelstein et al., 2014- Science

Neuronal screen for behaviors

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Vogelstein et al., 2014- Science

Neuronal screen for behaviors

This week’s experiment: Photo-activation

• f an escape response.

Augustin et al., 2011- JOVE

Neural circuit for flight in Drosophila

Orr et al., 2014- J. Neuroscience

A307-GAL4 expression pattern GFs dye-coupled neurons

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Ephys preparation to record from adult fly muscles

Channelrhodopsin-evoked action potentials in adult fly muscle. Active properties of various adult thoracic muscles.

Dorsal longitudinal muscle (indirect flight muscle) Dorsal ventral muscle (direct flight muscle) Tergotrochanteral muscle (jump muscle)

Intrinsic properties of adult thoracic muscles.

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• What are there differences in behavioral/physiological responses to activating the

command-like neuron compared to activating motor neurons directly?

• What are the differences in action potential waveforms evoked by current injection

compared to those evoked by synaptic potentials?

• How does activation affect spontaneous activity (i.e. minis)?

Experimental questions for this lab:

Connecting Neural Connections to Behavior

• Josh Titlow, Ph.D.

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Evolutionary arms race between wasps and flies

• M. L. Henneman

Leptopilina heterotoma females lay eggs in D. melanogaster larvae

Kazuo Emoto

• D. Melanogaster larvae are equipped with

mechanosensory behaviors to evade wasps

Measuring mechanosensory function at the cellular level. Dopaminergic modulation of sensory-evoked activity Mechanosensory responses are modulated by dopamine through local interneurons.

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Connecting Neural Connections to Behavior

Neural ¡circuits ¡

Evoking mechanosensory behaviors. Anatomical specificity in mechanosensory behaviors.

Jahrling et al., 2010- Front. Neurosci

Layout of the flying muscles in Drosophila

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Electrical activation of the flight circuit Optogene6c ¡ac6va6on ¡of ¡ dopaminergic ¡neurons ¡in ¡adult ¡

• flies. ¡ ¡

Lima ¡and ¡Miesenbock, ¡2005 ¡ ¡ Heat activation of neurons to study behavioral circuits Fru -/- 30 sec 34°C Fru -/- 0 sec 34°C Fru -/- 0 sec 34°C Fru -/- 30 sec 34°C Heat activation of neurons to study behavioral circuits

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Fru-Gal4 x UAS-Brainbow

• C. elegans

Knee extension reflex

• C. elegans

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• C. elegans