Centre for Neural Computation (CNC)

Visjonen til CNC er å forstå det nevrale grunnlaget for høyere hjernefunksjoner. For 2022 ønsker vi å fremheve følgende: Forskning i Moser-gruppen har gjennomgått en radikal transformasjon ved hjelp av ny teknologi for å måle og analysere aktivitet i store populasjoner av samarbeidende hjerneceller. Gruppen har deltatt i utviklingen av en ny generasjon Neuropixels-prober og utviklet et bærbart tofoton-mikroskop som registrerer samtidig aktivitet fra tusenvis av nerveceller i intakt hjernevev under naturlig atferd. Ved bruk av disse nye teknologiene har gruppen vist hvordan aktivitet fra populasjoner av gitterceller opererer over smultringformede flater. Funnene bekrefter prediksjoner fra teoretiske modeller og illustrerer hvordan ny teknologi for måling av aktivitet i store nervecellepopulasjoner gir innblikk i kodingsmekanismer som ikke er tilgjengelige ved observasjon av enkeltceller. Kentros-gruppen produserer anatomisk spesifikke molekylærgenetiske verktøy til studiet av nevrale kretsløp. De undersøkte direkte entorhinale input til hippocampus og hvilke roller disse spiller i nettverksoscillasjoner. De viste også at de patologiske interaksjonene mellom Amyloid-beta og Tau i Alzheimers sykdom (AD) sannsynligvis forekommer i stjernecellene i entorhinal cortex (EC). Siden dette er de første nevronene som dør hos AD-pasienter, kan dette åpne nye veier for cellespesifikke terapier for AD. Witter-gruppen fullførte to studier på nettverk som binder sammen de to delene av EC med hverandre og med hippocampus. De viste at medial EC modulerer forbindelse fra lateral EC til hippocampus via langtrekkende GABAerge så vel som glutamaterge projeksjoner. Ventral hippocampus sender utgående signal til alle nivå av medial EC, som trolig modulerer informasjonsflyten fra hippocampus til resten av hjernen. Begge funnene nødvendiggjør en kritisk gjennomgang av funksjonelle konsepter om hukommelsessystemet i hippocampus. Whitlock-gruppen undersøker hvordan sensoriske og motoriske kortikale systemer koder dyreatferd i 3D og har avdekket hvordan ulike sensoriske områder i cortex anvender signaler om positur og bevegelse for å muliggjøre sensorisk koding. De har også avdekket nervebaner fra det visuelle følger til det motoriske systemet, som muliggjør visuelt guidet motorisk atferd og utviklet en verktøykasse med åpen kildekode som kan brukes til anatomisk rekonstruksjon. Navarro Schröder-gruppen studerer pasienter med «transient global amnesia». De ledet et tverrfaglig prosjekt for å anskaffe og anvende avansert MR-utstyr ved det norske 7T-senteret, inkludert elastografi for å måle vevsstivhet og teknikker for å måle ryggmargen og kvantifisere metabolske endringer i hjernen. Pågående forskning undersøker hvordan hjernen representerer andres plassering. Nigro-gruppen har som mål å avdekke beregningene som ligger til grunn for multisensorisk objektgjenkjenning i cortex og betydningen av forskjellige celletyper. Nylige funn beskriver sensoriske responser i perirhinal cortex. De oppdaget også en ny GABAergisk populasjon i assosiasjonscortex og utviklet et viralt verktøy for å merke og manipulere den. Quattrocolo-gruppen studerer hvordan ulike celletyper bidrar til modningen av nevrale kretsløp i hippocampus-regionen, hvordan synapser endres under utvikling, og hvordan spesifikke gener eller celletyper (f.eks. Cajal-Retzius-celler) påvirker deres modning. De benytter banebrytende teknologier, som transkriptomisk og proteomisk analyse, atferdseksperimenter, celletypespesifikke virale vektorer, transgene muselinjer og anatomisk tracing. Roudi-gruppen jobber med å forstå rollen til en enkeltnevroners input-output-funksjon i nevrale nettverk. De har utvidet tilnærmingen til nevrale nettverksmodeller for sannsynlighetslæring og videreutviklet metoder for å analysere nevrale data og sammenligne nevrale koder ved bruk av funksjonsløse slutninger der antakelser om hva som er kodet ikke er en forutsetning. Ny forskning fokuserer på hvordan kan evolusjonær dynamikk i interagerende agenter kan føre til høyere computational power. Yaksi-gruppen forsker på hvordan indre tilstander i hjernen samhandler med sensorisk informasjon og hvordan disse interaksjonene endres i sykdom. De har tidligere avdekket hvordan gliaceller spiller en rolle i å regulere eksitabilitet under epilepsianfall, og at distinkte funksjonelle komponenter av habenula, en del av sebrafiskhjernen, dannes under ulike utviklingsperioder. Ziaei-gruppen undersøker nevrale mekanismer for emosjonell prosessering i aldring. De har avdekket hvordan aldring påvirker strukturelle og funksjonelle hjernekretser som er involvert i dekoding av og respons på sosiale-emosjonelle signaler, noe som er kritisk for effektiv sosial kommunikasjon med andre. I samarbeid med St. Olavs hospital undersøker de nå hvordan disse ferdighetene endres ved affektive lidelser i sen voksen alder. Dette åpner dører for nye psykoterapeutiske behandlinger for pasienter med psykososiale vansker.

The financial structure of the SFF has been revised several times during the 10 years period whereas several financial advisors has been involved in the reporting processes as well as the multiple revisions and amendments executed. Prior to 2020, costs associated with external funded projects with a scientific relationship with the SFF was included in the figures above. However, from 2021 onwards only costs related to the centre was reported, whereas the total activity including both the SFF as well as other external funded projected related to the centre were reported in the attached overview under section "special reports". The decision to revise the structure from 2021 onwards was made in close collaboration with the NFR, whilst it was proposed to revise the figures starting from 2013, it was decided to only use the structure from 2021 onwards, leaving the historic figures as previously reported. This is the reason for the major drop in in costs reported from 2020 to 2021. For the last two years the personnel costs are only reflecting the payroll of the personnel paid directly by the SFF funds and the total costs for the last two years have kept steady around approx. 59 mNOK pa. The major cost driver (past two years) under the section "equipment" has been lab rent, as Kavli implemented the lab rent model in late 2020. Otherwise the personnel costs represent the largest section of the overall expenditures, representing 72% of the total costs for the entire centre period. Multiple post. Doctoral fellows, PhDs and researchers has been financed by the funding over the last ten years (see attachment in section "special report" for further details).

English version The most challenging goal of neuroscience is to understand how subjective experience arises out of distributed electrical activity in the brain. Neuroscientists have uncovered striking correlations between behaviour and neural activity but the distributed and interleaved nature of neural representations has prevented insight into the underlying computational operations. The Centre of Excellence (CoE) scheme of the Research Council of Norway (RCN) provides a one-time opportunity to set up a research programme of the magnitude and continuance required to identify these mechanisms. I propose to develop the Centre for Neural Computation (CNC) to pioneer the extraction of computational algorithms from the mammalian cortex. We shall use our recent discovery of grid cells as an access ramp. Because the matrix-like firing of these cells is generated within the brain, independently of specific sensory features, grid cells provide unprecedented access to coding in high-end cortices. I have assembled an expert team that comes together at CNC to decipher the fundamental codes of the space circuit - the mechanisms by which signals from grid cells and other cells are generated, transformed, stored and retrieved by local and global network operations. The timing would be optimal because a wide spectrum of large-scale cell type-specific recording technologies will become available through NORBRAIN, an RCN-funded national infrastructure that less than 6 months after its opening is emerging as one of the world's largest assemblies of equipment for advanced neural circuit analysis. The research plan will be accompanied by the foundation of a national research school and the first PhD programme on neural circuits in Norway. The consequences of understanding the brain at the algorithmic level are diverse and far-reaching, spanning from the diagnosis and prevention of a wide range of neurological and psychiatric diseases to the implementation of brain algorithms in tomorrow's computers. Norwegian version En av de største utfordringene i moderne nevrovitenskap er å finne ut hvordan subjektiv erfaring oppstår ut fra elektrisk aktivitet i hjernen. Hjerneforskere har oppdaget slående korrelasjoner mellom atferd og nevral aktivitet men fordi nevrale representasjoner er distribuerte, har det vært vanskelig å oppnå innsikt i de underliggende beregningsoperasjonene. Forskningsrådets ordning for Fremragende Forskning representerer en unik anledning til å sette opp et forskningsprogram med den størrelse og varighet som trengs for å idenfisere slike mekanismer. Vi foreslår å opprette Centre for Neural Computation (CNC) for å lede an i avdekkingen av nevrale algoritmer i hjernebarken til pattedyr. Som innfallsport vil vi bruke gittercellene i entorhinal cortex, som vi oppdaget i 2005. Gitterceller er på mange måter målestokken i hjernens kartsystem. Fordi gittercellenes matriselignende aktivitetsmønster genereres inne i hjernen, uavhengig av innkommende sensoriske signaler, gir disse cellene oss en unik anledning til å beskrive prinsipper for nevral koding i høyere-ordens assosiasjons-hjernebark. Vi har samlet en gruppe eksperter for å identifisere de fundamentale kodene i hjernens kartsystem og for å avsløre mekanismene for dannelse og omdannelse av gitterceller og andre celler ved hjelp av lokale og globale nettverksoperasjoner. Tidspunktet for opprettelsen av et slikt senter er optimalt siden et vidt spektrum av storskala celletype-spesifikke registreringsteknologier har blitt tilgjengeliggjort gjennom NORBRAIN, en Forskningsrådsfinansiert nasjonal infrastruktur som 6 måneder etter innvielsen framstår som en av verdens største samlinger av utstyr for avansert nevral nettverksanalyse. Forskningsplanen ledsages av etableringen av en nasjonal forskerskole og det første PhD-programmet for nevrale kretser og nevral nettverksberegning i Norge. Implikasjonene av å forstå hjernen på et algoritmisk nivå er vidtrekkende og spenner fra tidlig diagnose og behandling av en rekke nevrologiske og psykiatriske sykdommer til utvikling av hjerne-computer-grensesnitt og implementering av nevrale algoritmer i fremtidens datamaskiner.