Procesamiento de información en neuronas y circuitos
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Procesamiento de información en neuronas y circuitos. Gonzalo G. de Polavieja Investigador ‘Ramón y Cajal’ Laboratorio de Procesamiento Neuronal, Dept. Física Teórica & Nicolás Cabrera. ¿Qué reglas cumplen circuitos sensoriales?. Tomado de Llinás (2003).

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Presentation Transcript


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Procesamiento de información en neuronas y circuitos

Gonzalo G. de Polavieja

Investigador ‘Ramón y Cajal’

Laboratorio de Procesamiento Neuronal,

Dept. Física Teórica & Nicolás Cabrera


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

¿Qué reglas cumplen circuitos sensoriales?

Tomado de Llinás (2003)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

¿Qué reglas cumplen circuitos sensoriales

en Drosophila?

  • Técnicas:

  • Genética

  • Electrofisiología e imagen in vivo

  • Modelización y análisis

  • Comportamiento

Tomado de Heisenberg (2003)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

2 preguntas sobre transmisión

de información

1. ¿Cómo influye un circuito

de retroalimentación en la

transmisión de información

visual?

2. ¿Importa la forma

de los potenciales

de acción en la transmisión

de información?


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

  • Efectos de red en visión

Adaptado de Ian Meinertzhagen


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Electrofisiología intracelular en Drosophila:

no es un sueño imposible!

Drosophila


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Indifferent electrode

Microelectrode

10 mV

100 ms

Peltier temperature control


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Comparacion de WT y ORT (receptores de histamina postsinapticos no funcionales)

ORT-mutant

WT


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Respuesta a pulsos de luz

ORT-mutant

WT

Light

pulses

Zheng, de Polavieja, Wolfram, Ashaly, Hardie & Juusola (2005, submitted)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

R 1-6

Si hay feedback en WT...

Exc.

Inh.

Inh.

Luz intensa

Luz debil

LMC


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

R 1-6

...entonces en ORT-mutant

Exc.

Exc.

Inh.

Inh.

Luz intensa

Luz debil

LMC


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

  • Ventajas del feedback negativo:

  • Control de la ganancia (baja I sigue dentro del rango de respuesta)

  • Aumenta la anchura de banda a altas frecuencias (el sistema responde bien a cambios muy rápidos).


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Voltage responses

Ri(t)

Voltage Noise

Ni(t)=Ri(t)-S(t)

10 mV

1000 ms

Average response

Signal, S(t)

Stimulus

Experimentos con repeticiones

Juusola & de Polavieja, J. Gen. Physiol. (2004))


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Señal sobre ruido (SNR)=calidad de señal

Frecuencia


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Señal sobre ruido en WT y ORT

Feedback negativo aumenta la

calidad de señal a altas frecuencias

Zheng, de Polavieja, Wolfram, Ashaly, Hardie & Juusola (2005, submitted)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

2. ¿Tiene relevancia la forma del PA?

Se asume que los PA son estereotipados


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Experimentos típicos muestran AP idénticos


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Excitación natural da PA distintos

Harsch & Robinson (2000)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

La forma del PA influye en la integración de excitación sináptica

Dos neuronas (Purkinje vs. Piramidal) con diferentes PA integran de forma distinta los mismos EPSPs

Hausser, Major & Stuart, Science (2000)

EPSP

PA


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

La misma neurona produce diferentes PA cuando se estimula dinámicamente.

Estos diferentes PA hacen que haya diferente integración de EPSPs idénticos.

¿Las diferente formas de PA se producen al azar o están correlacionadas con la estimulación que recibe la neurona?


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Experimentos en rebanadas de cortex


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Estimulación ‘natural’ con injección de conductancia (dynamic clamp)

Inyección de corriente

Inyección de conductancia (dynamic clamp)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Con estimulación ‘natural’ hay variabilidad en PA

de Polavieja, Harsch, Kleppe, Robinson,& Juusola (Journal of Neuroscience, accepted, 2005)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Forma del PA se correlaciona con amplitud

del estímulo

de Polavieja, Harsch, Kleppe, Robinson,& Juusola (Journal of Neuroscience, accepted, 2005)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Escala temporal de la codificación < 50ms

de Polavieja, Harsch, Kleppe, Robinson,& Juusola (Journal of Neuroscience, accepted, 2005)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Formas de PA fiable en experimentos de repetición

de Polavieja, Harsch, Kleppe, Robinson,& Juusola (Journal of Neuroscience, accepted, 2005)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

La fiabilidad en las formas implica alto paso de

información del estímulo a las formas

de Polavieja, Harsch, Kleppe, Robinson,& Juusola (Journal of Neuroscience, accepted, 2005)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Los tiempos de los PA tienen baja correlación

con el estímulo

de Polavieja, Harsch, Kleppe, Robinson,& Juusola (Journal of Neuroscience, accepted, 2005)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Modelo

de Polavieja, Harsch, Kleppe, Robinson,& Juusola (Journal of Neuroscience, accepted, 2005)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

¿Para que puede servir?


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

  • Conclusiones:

  • Electrofisiología en Drosophila

  • Feedback negativo controla sistema visual

  • 3. Las formas de potencial de acción, que influyen

  • en la integración neuronal, dependen de la

  • estimulación recibida en los 50ms anteriores


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Otros trabajos en proceso:

Códigos minimizando ruido

y coste energético

Relación dinámica de Ca

y variabilidad neuronal

Multiplicación con neuronas

y detección de movimiento

Variabilidad neuronal

Conexión neurona

con modelos de redes

Análisis cuantitativo de

comportamiento con imagen


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

AGRADECIMIENTOS

DROSOPHILA VISION LAB (Cambridge): Mikko Juusola, Lei Zheng

& Verena Wolfram

BIOPHYSICS OF SYNAPTIC INTEGRATION LAB (Cambridge): Hugh Robinson, Annette Harsch & Ingo Kleppe

LABORATORIO DE PROCESAMIENTO NEURONAL: Sara Arganda &

Gabriel González

GRUPO DE COMPUTACION BIOLOGICA: Pablo Varona & Francisco de Borja

GRUPO DE ESTADISTICA: Raul Guantes

Las facturas de la casa: MCyT, equipamiento MCyT y fBBVA

y los viajes The Royal Society


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

2. La multiplicacióm como operación en neuronas


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Control de mirada por detección de movimiento


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Modelo de Reichardt obtenido a partir de comportamiento del escarabajo

tiempo


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

¿Cómo se implementa?

Pistas:

  • Comportamiento

  • como Reichardt

2. Neuronas ganglionares como Barlow-Levick (medula consistente anatónimamente con BL).

PROBLEMA: ambiguedad


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Buscando modelos

de Polavieja (2005, submitted)


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

… y aquí estan


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Como se multiplica?

A

B

AxB

B-B.~A


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

Respuesta de modelos a imagen sinusoide


Procesamiento de informaci n en neuronas y circuitos

  • Adaptación a la intensidad de luz:

  • ¿Hay efectos de red?

Restricciones en los códigos

de Polavieja, J. Theor. Biol (2003)


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