[论文解读] Temporal sequences of spikes during practice code for time in a complex motor sequence

Stephanie E. Palmer, Mimi H. Kao+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2014

Animal Vocal Communication and Behavior参考文献 57被引用 6

一句话总结

本研究揭示，歌雀 LMAN 核团中的神经元以不同方式编码运动序列中的时间结构：在练习期间，爆发性放电-沉默序列精确编码时间，而在定向鸣叫期间，孤立放电则表示时间。这表明在练习期间，神经元通过时间锁定的主动采样来优化鸣叫。练习期间的时间编码精度与表演期间相当，支持 LMAN 通过时间特异性探索在运动学习中发挥引导作用的观点。

ABSTRACT

Practice of a complex motor gesture involves exploration of motor space to attain a better match to target output, but little is known about the neural code for such exploration. Here, we examine spiking in an area of the songbird brain known to contribute to modification of song output. We find that neurons in the outflow nucleus of a specialized basal ganglia- thalamocortical circuit, the lateral magnocellular nucleus of the anterior nidopallium (LMAN), code for time in the motor gesture (song) both during singing directed to a female bird (performance) and when the bird sings alone (practice). Using mutual information to quantify the correlation between temporal sequences of spikes and time in song, we find that different symbols code for time in the two singing states. While isolated spikes code for particular parts of song during performance, extended strings of spiking and silence, particularly burst events, code for time in song during practice. This temporal coding during practice can be as precise as isolated spiking during performance to a female, supporting the hypothesis that neurons in LMAN actively sample motor space, guiding song modification at local instances in time.

研究动机与目标

• 理解歌雀基底神经节环路中的神经活动如何在运动序列学习过程中编码时间。
• 比较 LMAN 在定向鸣叫（表演）与非定向练习期间的时间编码机制。
• 确定练习期间的时间编码是否支持对运动空间的主动探索以实现鸣叫优化。
• 使用信息论度量方法量化 LMAN 中时间编码的精度。

提出的方法

• 在斑胸鱼（zebra finches）的定向鸣叫和非定向练习期间，记录 LMAN 神经元的放电活动。
• 将放电时间与鸣叫结构对齐，以识别时间在鸣叫中的编码方式。
• 使用互信息量化放电序列与鸣叫时间之间的相关性。
• 区分孤立放电与爆发-沉默模式在时间编码中的作用。
• 通过放电序列的统计分析，比较表演与练习状态下编码的精度。
• 使用与鸣叫音节和转换时间锁定的放电序列分析时间模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 LMAN 神经元在表演与练习期间如何编码鸣叫运动序列中的时间结构？
• RQ2 在每种行为状态下，使用何种放电模式（如孤立放电、爆发、沉默）来表示鸣叫中的时间？
• RQ3 练习期间的时间编码是否与表演期间同样精确？
• RQ4 练习期间放电序列中的爆发事件是否以支持运动探索的方式参与时间编码？

主要发现

• 在表演期间，LMAN 神经元的孤立放电编码鸣叫中特定的时间点，表现出精确的时间编码。
• 在练习期间，放电与沉默的长序列——尤其是爆发事件——以与表演期间孤立放电相当的精度编码鸣叫中的时间。
• 互信息分析证实，练习期间的放电序列携带了显著的时间信息，其中爆发-沉默模式是主要的编码机制。
• 练习期间的时间编码精度与表演期间相当，表明 LMAN 以时间锁定的模式主动采样运动空间。
• 在表演与练习期间，分别使用不同的神经编码方式（孤立放电 vs. 爆发-沉默）进行时间编码，反映出其在鸣叫学习中具有不同的功能角色。