A viselkedés szinaptikus alapja Az idegtudományi kutatások egyik fő kihívása annak megértése, hogy az agy sejtjei (neuronok) hogyan használják speciális kapcsolataikat (szinapszisok) az információ továbbítására és átalakítására, hogy érzékeljük a minket körülvevő világot, és ezáltal viselkedésünket irányítsák. Az idegrendszer egyik lenyűgöző funkciója az időérzékelés képessége. Az érzékelések, gondolatok és cselekvések dinamikus események, amelyekhez az agynak kódolnia kell az idő múlását. Számos feladat, például a zenélés vagy a sportolás pontos végrehajtása az ezredmásodpercektől a másodpercekig terjedő időintervallumok pontos becslését igényli. Azt azonban nem értjük, hogy az agyi áramkörökben lévő neuronális elemek hogyan reprezentálják az időt. A neuronok közötti szinaptikus kapcsolatok dinamikusan változtatják erősségüket rövid aktivitási szakaszok során, és feltételezzük, hogy ezek ezért “celluláris időmérőként” működhetnek, és így szubsztrátként szolgálhatnak az idő kódolásához a neurális hálózatokon belül, hogy pontos viselkedéseket hozzanak létre. Az agy egy speciális régiója, a kisagy, megtanulja a belső és külső érzékszervi világunk pontos időbeli részleteit, hogy finomhangolja a motoros és kognitív viselkedést. Valóban, a kisagy működésének hiányosságai magyarázhatják a skizofréniában vagy autizmusban jelentkező megváltozott érzékszervi válaszokat. Szerencsére a kisagyi áramkör felépítése meglehetősen egyszerű, és csak néhány jól meghatározott neurontípust tartalmaz. Ez egyedülállóan jól kezelhetővé teszi az egyes neurontípusok és szinaptikus kapcsolataik szerepének megállapítását a pontosan időzített cselekvések létrehozásában.
Hipotézis: A Synapse and Circuit Dynamics (SCD) laboratórium korszakalkotó felfedezéseket tett a kisagyban lévő szinapszisok különböző funkcióiról (1. ábra), valamint az idegvégződéseken belüli molekuláris szervezetről, amely ezt a sokféleséget vezérli. Ezt követően kifejlesztettünk egy matematikai modellt, amely előrejelzéseket tesz arra vonatkozóan, hogy a szinaptikus diverzitás hogyan képezi az állati viselkedés alapjául szolgáló áramköri számítások szubsztrátumát (2. ábra). A fő hipotézis az, hogy a szinaptikus erősség dinamikus változásai szükségesek az időben elosztott reprezentációk létrehozásához, amelyek matematikai alapként használhatók a kimeneti neuronok tetszőleges alakzatainak megtanulásához. Az időnek ez az elosztott reprezentációja teszi lehetővé a kisagy számára a cselekvések pontos időzítését.
Megközelítés: Az SCD laboratórium egy több léptékű kutatási programot valósított meg, amely összekapcsolja a szinapszisok makromolekuláris szerveződését a jól időzített viselkedéseket vezérlő idegi áramkörök működésével. A laboratórium projektjei közé tartozik a mikroszkópia fejlesztése, patch-clamp és dinamikus kétfotonos képalkotás alkalmazása akut agyszeletekben, a szinaptikus makromolekuláris komplexek szuperfelbontású képalkotása, a neuronpopulációs aktivitás nagysebességű, véletlen hozzáférésű 2-fotonos képalkotása és nagy sűrűségű Neuropixel szondákkal végzett egyegységes felvételek éberen viselkedő egerekben. Statisztikai és numerikus módszereket alkalmazunk az adatsorok matematikailag formalizált hipotézisekhez való illesztésére. 
1. ábra. Az MF-GC szinapszis sokfélesége. Öt szinapszistípus (csoport) átlagos szinaptikus áramai 100 Hz-es vonóingerekre adott válaszként, amelyek változatos amplitúdókat és rövid távú plaszticitást mutatnak. 
2. ábra. PC szünetek szimulálása a szemhéj kondicionálás során. a) A szemhéj kondicionálás sémája. CS: kondicionált inger (piros). US: kondicionálatlan inger (lila). Miután az állat sok próbán keresztül megtapasztalta a CS-t és az US-t egy rögzített időbeli kontingenciában adagolva, megtanulja, hogy becsukja a szemhéját, mielőtt az US-t adagolnák (zöld). A PC-aktivitás mélypontja (kék) megelőzi a szemhéj bezárását (célidő, szürke szaggatott vonal). b) A kisagykéreg sebességmodelljének sémája. Az MF-ek a Chabrol et al. 2015-ből származó szinapszistípusok szerint vannak osztályozva. A százalékok az MF-csoportok relatív gyakoriságát jelzik. Betétek: tüzelési sebességeloszlások a különböző MF-csoportokhoz. c) Példa a szemhéj tanulására 4000 tanulási lépés során 200 ms késleltetés esetén. A szaggatott vonal a felügyelt tanulási eljárásban használt céljelet jelöli. STP-indukált GC-tranziensek nélkül nem tanulható PC-völgy (rózsaszín vonal). d) Szemhéjtanulás különböző célidőkre. Különböző színek jelzik a PC-válaszokat a különböző szimulációk 4000 tanulási lépése után és a megfelelő célidőket (szaggatott vonalak).
A rendelkezésre álló pozíciók: Posztdoktori ösztöndíjas állások állnak rendelkezésre a kisagyfüggő viselkedések alapjául szolgáló idegi áramkörök számításainak szinaptikus alapjainak tanulmányozására. Korábban kimutattuk, hogy a szinaptikus erősség és plaszticitás sokfélesége fontos a multiszenzoros ingerek időbeli kódolásában. Elméleti megközelítéseket alkalmazva (2. ábra) most azt feltételezzük, hogy a szinaptikus diverzitás kritikus fontosságú az érzékszervi ingerek időbeli szekvenciáinak észlelése és az időbeli tanulás szempontjából. Ezt a problémát három stratégiával támadjuk meg: 1) szinaptikus és neuronális mechanizmusok feltárása képalkotó és elektrofiziológiai megközelítésekkel akut agyszeletekben, 2) számítógépes modellezés és statisztikai elemzés, valamint 3) nagy sűrűségű neurális pixelfelvételek és a legmodernebb nagy sebességű, véletlen hozzáférésű in vivo 2-foton képalkotás újonnan kifejlesztett aktivitási riporterek (Ca2+ és neurotranszmitter) segítségével, amelyek ideálisak a kisagyi neuronok nagyfrekvenciás spike- és szinaptikus aktivitásának rögzítésére. A kisagyi agykérgi összeköttetés egyszerűsége alkalmassá teszi az öt fő neuron mindegyikéről történő rögzítést annak érdekében, hogy közvetlenül teszteljük a hálózati modellek előrejelzéseit az áramkör által végezhető számításokról. Mindegyik megközelítésre (in situ, in vivo és számításos) fogadunk jelentkezőket. A pályázóknak tehát rendelkezniük kell korábbi tapasztalattal az elektrofiziológiában, képalkotásban vagy in vivo felvételekben éberen viselkedő állatokon, és jól kell ismerniük a jelelemzést. A laboratórium multidiszciplináris: in situ és in vivo neurofiziológusok, fizikusok (optika) és elméleti idegtudósok dolgoznak egy rendkívül együttműködő környezetben. Érdeklődés esetén kérjük, küldje el önéletrajzát és motivációs levelét a [email protected] címre.