Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8964
Main Title: Computational models of spatial representations
Subtitle: the emergence of location-specific neuronal activity
Translated Title: Theoretische Modelle räumlicher Repräsentationen
Translated Subtitle: die Entstehung ortsspezifischer neuronaler Aktivität
Author(s): Weber, Simon Nikolaus
Advisor(s): Sprekeler, Henning
Referee(s): Sprekeler, Henning
Kempter, Richard
Treves, Alessandro
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Our sense of location depends on a structure deep within the brain called the hippocampal formation, and on its neighbor, the parahippocampal region. Studies in rodents have shown that these brain areas contain different types of neurons that help the animal to work out where it is. The activity of those neurons is modulated by the trajectory of the animal, and this modulation varies among cells: place cells fire whenever an animal occupies a specific location in its environment, grid cells fire at multiple locations that together form a grid of equilateral triangles and head direction cells fire only when the animal faces a particular direction. The circuit mechanisms that give rise to these firing patterns are not resolved. In particular, it is unclear why certain cell types are selective to one spatial variable, but invariant to another. For example, place cells are typically invariant to head direction and head direction cells are often invariant to location. This thesis contains three research projects. In the first project, we propose that all observed spatial tuning patterns—in both their selectivity and their invariance—arise from the same mechanism: excitatory and inhibitory synaptic plasticity that is driven by the spatial tuning statistics of synaptic inputs. Using simulations and a mathematical analysis, we show that combined excitatory and inhibitory plasticity can lead to localized, grid-like or invariant activity. Combinations of different input statistics along different spatial dimensions reproduce all major spatial tuning patterns observed in rodents. The model is robust to changes in parameters, develops patterns on behavioral timescales and makes distinctive experimental predictions. For the development of grid cells, our model requires that the spatial tuning of inhibitory input is smoother than that of excitatory input and that different input neurons have different preferred firing locations. In the second project, we model different network architectures to study the emergence of the required smooth inhibitory tuning in a population of interneurons and the simultaneous development of grid-like firing in entorhinal principal cells using interacting excitatory and inhibitory plasticity on all synapses. In the third project, we introduce a method that allows to visualize and quantify local distortions of grid cell firing patterns, by assigning both a local grid score and a local orientation to each individual spike of a neuronal recording. Introducing a local analysis of grid patterns is motivated by recent experiments that show local distortions to the activity patterns of grid cells in both space and time. In summation, this thesis provides new insight into how spatial representations can emerge from experience and how the symmetry of these representations can be analyzed.
Unser Orientierungssinn hängt entscheidend von zwei Hirnarealen ab: der hippokampalen Formation und dessen benachbarter Struktur, dem parahippokampalen Areal. Untersuchungen an Nagetieren haben gezeigt, dass diese Hirnareale verschiedene Arten von Neuronen enthalten, die dem Tier dabei helfen, seinen Ort zu bestimmen. Die Aktivität dieser Neuronen hängt, je nach Zelltyp, auf unterschiedliche Weise von der Bewegung der Ratte ab: Ortszellen feuern wenn das Tier an einem bestimmten Ort ist, Gitterzellen feuern an mehreren Orten die zusammengenommen ein Gitter aus gleichschenkligen Dreiecken bilden und Kopfausrichtungszellen feuern nur, wenn der Kopf des Tieres in eine bestimmte Richtung zeigt. Welche Netzwerkmechanismen zu solchen Feuermustern führen ist bisher unbeantwortet. Insbesondere ist nicht geklärt, warum bestimme Zelltypen selektiv bezüglich einer räumlichen Variable sind, jedoch invariant bezüglich einer anderen. Ortszellen sind beispielsweise oft invariant bezüglich der Kopfausrichtung und Kopfausrichtungszellen sind oft invariant bezüglich des Ortes. Diese Arbeit enthält drei Forschungsprojekte. Im ersten Projekt zeigen wir, dass alle beobachteten Feuermuster, sowohl bezüglich ihrer Invarianz als auch ihrer Selektivität, durch denselben zugrundeliegenden Mechanismus entstehen können: Interagierender exzitatorischer und inhibitorischer synaptischer Plastizität, die von räumlich moduliertem Input getrieben wird. Wir zeigen mittels Simulationen und einer mathematischen Analyse, dass interagierende exzitatorische und inhibitorische Plastizität zu lokalisierten, gitterartigen und invarianten Feuermustern führen kann. Kombinationen verschiedener Input-Statistiken entlang unterschiedlicher räumlicher Komponenten erzeugt einen Großteil der in Nagetieren beobachteten Feuermuster. Unser Modell ist robust gegenüber Parameterveränderungen, entwickelt Muster nach kurzer räumlicher Erkundungsphase und trifft klare experimentelle Vorhersagen. Für die Entwicklung von Gitterzellen setzt unser Modell voraus, dass die räumliche Modulation des inhibitorischen Inputs breiter ist als die des exzitatorischen Inputs und dass unterschiedliche inhibitorische Input-Zellen an verschiedenen Orten aktiv sind. Im zweiten Projekt untersuchen wir die Entstehung dieser breiten räumlichen Modulation in Interneuronen und die gleichzeitige Entwicklung gitterartiger Feuermuster in exzitatorischen Zellen des entorhinalen Kortex. Dazu analysieren wir unterschiedliche Netzwerkarchitekturen. Im dritten Projekt stellen wir eine neue Methode zur Visualisierung und Quantifizierung lokaler Defekte in Feuermustern von Gitterzellen vor. Die Methode ordnet jedem Spike einer experimentellen Messung die lokale Qualität sowie die lokale Orientierung des Gitters zu. Diese Analyse lokaler Gittereigenschaften ist motiviert durch kürzlich erschienene Experimente die sowohl räumlich als auch zeitlich lokale Gitterdefekte zeigen. Zusammengefasst liefert diese Arbeit neue Einsichten zur Entstehung räumlicher Repräsentationen und zur Analyse ihrer Symmetrie.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9973
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8964
Exam Date: 22-Aug-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 10-Oct-2019
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): computational neuroscience
synaptic plasticity
hippocampus
entorhinal cortex
grid cells
place cells
neuroscience
computergestützte Neurowissenschaften
synaptische Plastizität
Hippocampus
Entorhinalcortex
Gitterzellen
Ortszellen
Neurowissenschaften
Sponsor/Funder: BMBF, 01GQ1201, Lernen und Gedächtnis in balancierten Systemen
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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