CAC - Centre for Algorithms in the Cortex

Senter for hjernebarkalgoritmer har som visjon å identifisere fundamentale nevrale algoritmer. For 2023/2024 ønsker vi å fremheve følgende oppdagelser og utviklinger: Mosergruppen har studert dynamikken i populasjoner av gitterceller og i nettverk i entorhinal cortex og hippocampus. De viser at gitterceller opererer på torusformede mangfoldigheter i tidlig utvikling, før rotter åpner øyne og ører, i samsvar med en medfødt nettverksbasis for spatial lokalisering i hjernen. De viser også at gitterceller koder mulige veier i rommet med utgangspunkt i nåværende posisjon. Disse rutene alternerer fra utgangspunktet i et rigid venstre-høyre-mønster som betydelig øker nettverkets evne til å kartlegge ruter i omgivelsene under navigering. Whitlockgruppen har tidligere vist at signaler om kroppsholdning og bevegelse finnes i sensoriske og motoriske cortex. I prefrontal cortex signaliseres kun aspekter av bevegelse som er relevante for dyrets nåværende atferd. Ved å bruke ansiktssporing hos fritt bevegelige dyr, viste gruppen at nevrale signaler for kroppsholdning er sammenvevde med værhårdynamikk i primære sensoriske områder. Parallelt arbeid karakteriserer fysiologiske responser på visuelle manipulasjoner. Kentrosgruppen fokuserer på å generere molekylærgenetiske verktøy som er spesifikke for ulike nevroncelletyper (NCT) og bruke dem til å undersøke nettverk involvert i hukommelse. I 2023-24 har de laget flere nye vektorer spesifikke for NCTer som førte til nye internasjonale samarbeid, de brukte vektorer for å studere hukommelsesnettverk (som førte til fem manuskripter), og de studerte rollene som distinkte NCTer har i utviklingen av Alzheimers sykdom. Yaksigruppen fokuserer på å identifisere den molekylære og funksjonelle arkitekturen i sebrafiskens forhjerne, som er evolusjonært beslektet med hjernebarken hos pattedyr. De har laget et molekylært atlas og kartlagt evolusjonære homologier med reptil- og pattedyrhjernebark. De har identifisert inngangs-/utgangsarkitekturen og undersøker nevrale beregninger knyttet til sanseintegrasjon og læring. De publiserte artikler om glutamatdrevet inhibering, nevrale ensembler og cilienes rolle i beregning av lukt. Quattrocologruppen er interessert i å forstå hvordan ulike celletyper bidrar til utviklingen av nevrale nettverk i hippocampusregionen. Forskningen er spesielt fokusert på synapsedannelse, hvordan synapser endres under utvikling og hvordan spesifikke gener eller celletyper (f.eks. Cajal-Retzius- (CR) celler) påvirker deres modning. De har nylig publisert arbeid som viser at CR-cellers tilstedeværelse i postnatal utvikling er avgjørende for dannelsen av kretsene i hippocampusregionen. Nigrogruppen forsker på sensorisk prosessering i hjernebarken. I løpet av det siste året har de oppdaget en inhiberende type celle som kan være ansvarlig for å slippe sensorisk informasjon inn i hukommelsessystemet. De brukte in vivo-fysiologi og fant at sensoriske stimuli aktiverer primær-sensorisk hjernebark og inhiberer multisensoriske områder. De skal forske på rollen til de nylig oppdagede inhiberende nevrocellene i denne mekanismen. Ziaeigruppen studerer nevrale mekanismer ved aldring for å forstå hvorfor noen eldre opplever mentale lidelser og kognitiv svikt mens andre er motstandsdyktige. De fant et nettverk knyttet til emosjonelt velvære og nettverkslikheter som forklarer motstandsdyktighet. Arbeidet deres viste også at høyintensiv trening forbedrer kognisjonen over fem år. I samarbeid med St. Olavs hospital har de som mål å identifisere nevrale markører for depresjon hos eldre og Parkinsons for sykdom. Navarro Schroeder-gruppen har vært sentral i utvikling av en ny MR-avbildningsmetode (MR-elastografi) for forbedrede målinger av nevral aktivitet hos mennesker. De publiserte en artikkel om effekten av østrogen på romlig navigasjon og en artikkel om strukturell og funksjonell konnektivitet i entorhinal cortex hos mennesker. De styrket eksisterende internasjonale samarbeid og startet nye, og de mottok også flere tilskudd til forbruksmateriell, utstyr og en ph.d.-stilling. To nye forskningsgrupper ble etablert i 2023: Gonzalo Cogno-gruppen rapporterte nylig om fenomenet ultralangsomme periodiske sekvenser. De følger for tiden opp disse funnene ved hjelp av nye eksperimenter, der de utvider repertoaret av adferd som de registrerer. De utvikler også nye metoder for å analysere dataene. I tillegg jobber de med utviklingen av beregningsmodeller som gir innsikt i nettverksmekanisme som muliggjør ultralangsomme periodiske sekvenser. Zonggruppen fokuserer på to nøkkelstudier: De utvikler et nytt 2P-miniskop for avbildning med oppløsning på enkeltcellenivå og subterskelfølsomhet i fritt bevegelige mus. De har oppnådd den første enkeltcelleavbildningen og forbedrer nå designet for å øke bildehastigheten. I tillegg lager de et nytt 2P-miniskop som kan registrere 1-2 størrelsesordener flere nevroner sammenlignet med de forrige mikroskopene, for å studere nevrale kretsløp i ultrastorskala.

Since the birth of philosophy, humans have pondered the origin of the mind, or our ability to consciously perceive and analyse past, present and future experience to interact intelligently with the world. Today, intellectual functions such as sensory perception, memory, imagery, planning and decision-making are known to reflect neural processing in the cerebral cortex, the sheet of uniformly organised tissue covering the cerebrum. Yet the neural algorithms of the cortex – its computational rulesets – have remained in the dark because information in the cortex is distributed across billions of tiny synapses that connect intermixed, widespread populations of neurons. We now have an unprecedented opportunity to overcome this elusiveness. New experimental technology and new tools for large-scale data analysis and modelling allow activity patterns – and algorithms – to be extracted at unprecedented precision from thousands of simultaneously active cortical neurons. We propose to take advantage of the emerging opportunities by bringing together 12 research groups at the Kavli Institute for Systems Neuroscience in a Centre for Algorithms in the Cortex (CAC). The overarching mission of CAC is the use of new technology to identify the fundamental rulesets of higher-order neural-circuit computation in the cortex. A steppingstone will be the Nobel-awarded insights from hippocampal-entorhinal circuits obtained at CAC’s parent centres, but the CAC itself will be transformative in extracting the domain-general algorithms underlying cognitive operations. To facilitate this paradigmatic switch, we have recruited a new generation of independent investigators, who will help acquire large-scale data from diverse higher-order cortical systems, at different stages of development and across species, hand in hand with theoretical model development. By identifying neural-circuit codes in these data, the CAC shall pioneer the next decade’s deep dive into the mechanistic basis of cognition.