Synaptický základ chování Hlavní výzvou ve výzkumu neurověd je pochopit, jak buňky v mozku (neurony) používají své specializované kontakty (synapse) k vedení a transformaci informací, aby vnímaly svět kolem nás a následně řídily chování. Jednou z fascinujících funkcí nervového systému je jeho schopnost sledovat čas. Vjemy, myšlenky a činy jsou dynamické události, které vyžadují, aby mozek kódoval plynutí času. U mnoha úkolů, jako je přehrávání hudby nebo sport, vyžaduje přesné provedení přesný odhad časových intervalů v řádu milisekund až sekund. Není však známo, jak neuronální prvky v mozkových obvodech reprezentují čas. Synaptická spojení mezi neurony dynamicky mění svou sílu během krátkých záchvatů aktivity, a proto předpokládáme, že by mohla fungovat jako „buněčné časovače“, a být tak substrátem pro kódování času v neuronových sítích za účelem generování přesného chování. Specializovaná oblast mozku, mozeček, se učí přesné časové detaily našeho vnitřního a vnějšího smyslového světa, aby vyladila motorické a kognitivní chování. Deficit funkce mozečku by mohl být příčinou změněných smyslových reakcí u schizofrenie nebo autismu. Architektura mozečkových obvodů je naštěstí poměrně jednoduchá a má jen několik dobře definovaných typů neuronů. Díky tomu je jedinečně schůdné stanovit úlohu jednotlivých typů neuronů a jejich synaptických spojení při generování přesně načasovaných akcí.
Hypotéza: Laboratoř Synapse and Circuit Dynamics (SCD) učinila zásadní objevy o různých funkcích synapsí v mozečku (obr. 1) a také o molekulární organizaci uvnitř nervových zakončení, která tuto rozmanitost řídí. Následně jsme vyvinuli matematický model, který předpovídá, jak je synaptická diverzita substrátem pro výpočty obvodů, které jsou základem chování zvířat (obrázek 2). Hlavní hypotézou je, že dynamické změny synaptické síly jsou nezbytné k vytvoření distribuované reprezentace času, kterou lze použít jako matematický základ pro učení libovolných tvarů výstupních neuronů. Tato distribuovaná reprezentace času umožňuje mozečku přesně časovat akce.
Přístup: Laboratoř SCD zavedla víceúrovňový výzkumný program, který propojuje makromolekulární organizaci na synapsích s funkcí nervových obvodů, která řídí dobře načasované chování. Projekty v laboratoři zahrnují vývoj mikroskopie, použití patch-clampu a dynamického dvoufotonového zobrazování v akutních mozkových řezech, superrozlišovací zobrazování synaptických makromolekulárních komplexů, vysokorychlostní dvoufotonové zobrazování aktivity neuronálních populací s náhodným přístupem a záznamy jednotlivých jednotek pomocí sond Neuropixels s vysokou hustotou u bdělých chovajících se myší. Statistické a numerické metody se používají k přizpůsobení souborů dat matematicky formalizovaným hypotézám. 
Obrázek 1. Rozmanitost synapse MF-GC. Průměrné synaptické proudy pro pět typů (skupin) synapsí v reakci na 100 Hz vlakové podněty vykazující různorodé amplitudy a krátkodobou plasticitu. 
Obrázek 2. Simulace pauz PC během kondicionování očních víček. a) Schéma kondicionování očních víček. CS: podmíněný podnět (červeně). US: nepodmíněný podnět (fialová). Po zkušenosti s CS a US podávanými v pevně stanovené časové podmíněnosti v průběhu mnoha pokusů se zvíře naučí zavřít víčko před podáním US (zeleně). Zavření víčka předchází koryto v aktivitě PC(modrá) (cílový čas, šedá přerušovaná čára). b) Schéma modelu rychlosti mozečkové kůry. MF jsou zařazeny podle typů synapsí podle Chabrol et al. 2015. Procenta označují relativní četnost skupin MF. Vložky: distribuce rychlosti vypalování pro různé skupiny MF. c) Příklad učení víček v průběhu 4000 kroků učení pro zpoždění 200 ms. Přerušovaná čára představuje cílový signál použitý v postupu učení pod dohledem. Bez přechodů GC vyvolaných STP se nelze naučit žádné koryto PC (růžová čára). d) Učení víček pro různé cílové časy. Různé barvy označují reakce PC po 4000 krocích učení různých simulací a odpovídající cílové časy (přerušované čáry).
Dostupné pozice: K dispozici jsou pozice postdoktorandů pro studium synaptických základů výpočtů nervových obvodů, které jsou základem chování závislého na mozečku. Již dříve jsme ukázali, že rozmanitost synaptické síly a plasticity je důležitá pro časové kódování multisenzorických podnětů. S využitím teoretických přístupů (obr. 2) nyní předpokládáme, že synaptická diverzita je rozhodující pro vnímání časových sekvencí smyslových podnětů a časové učení. Na tento problém budeme útočit pomocí tří strategií: 1) synaptické a neuronální mechanismy budou zkoumány pomocí zobrazovacích a elektrofyziologických přístupů v akutních mozkových řezech, 2) výpočetního modelování a statistické analýzy a 3) pomocí záznamů neuronálních pixelů s vysokou hustotou a nejmodernějšího vysokorychlostního dvoufotonového zobrazování s náhodným přístupem in vivo pomocí nově vyvinutých reportérů aktivity (Ca2+ a neurotransmiterů), nástrojů ideálně vhodných pro záznam vysokofrekvenčních hrotů a synaptické aktivity mozečkových neuronů. Jednoduchost mozečkové korové konektivity se hodí k záznamu z každého z pěti základních neuronů, aby bylo možné přímo testovat předpovědi síťových modelů výpočtů, které může obvod provádět. Přijímáme uchazeče pro každý přístup (in situ, in vivo a výpočetní). Uchazeči by tedy měli mít předchozí zkušenosti s elektrofyziologií, zobrazováním nebo záznamy in vivo u bdělých chovajících se zvířat a dobrou znalost analýzy signálů. Laboratoř je multidisciplinární a pracují v ní neurofyziologové in situ a in vivo, fyzikové (optika) a teoretičtí neurovědci ve vysoce kooperativním prostředí. V případě zájmu zašlete životopis a motivační dopis na adresu [email protected].