Internal Cholinergic Regulation of Learning and Recall in a Model of Olfactory Processing

In the olfactory system, cholinergic modulation has been associated with contrast modulation and changes in receptive fields in the olfactory bulb, as well the learning of odor associations in olfactory cortex. Computational modeling and behavioral studies suggest that cholinergic modulation could improve sensory processing and learning while preventing pro-active interference when task demands are high. However, how sensory inputs and/or learning regulate incoming modulation has not yet been elucidated. We here use a computational model of the olfactory bulb, piriform cortex (PC) and horizontal limb of the diagonal band of Broca (HDB) to explore how olfactory learning could regulate cholinergic inputs to the system in a closed feedback loop. In our model, the novelty of an odor is reflected in firing rates and sparseness of cortical neurons in response to that odor and these firing rates can directly regulate learning in the system by modifying cholinergic inputs to the system. In the model, cholinergic neurons reduce their firing in response to familiar odors—reducing plasticity in the PC, but increase their firing in response to novel odor—increasing PC plasticity. Recordings from HDB neurons in awake behaving rats reflect predictions from the model by showing that a subset of neurons decrease their firing as an odor becomes familiar

Ilhas interdisciplinares de racionalidade no ensino de ciências: uma experiência didática no PARFOR na Ilha do Marajó, Pará, Brasil

This research had as objective to analyze the use of the STS approach departing from the development of interdisciplinary islands of rationality (IIR) with natural science licentiateship students in the city of Breves, in Marajó Island (PA). This course emphasizes the knowledge from Chemistry, Physics, Biology and Geoscience. The research was developed in the discipline "Teacher Practice for the Teaching of Science: Education in Science and Technology", which culminated with the construction of a IIR. For this analysis, besides the development of IIR, a questionnaire was applied to identify prior knowledge. The analysis was performed from the products of IIR, responses from questionnaires and from observations of the researcher in the context of an action research. It was concluded that the use of the STS approach, departing from IRR, contributes to make evident the relation between scientific knowledge and everyday life.A pesquisa teve como objetivo analisar o uso da abordagem CTS a partir do desenvolvimento de Ilhas Interdisciplinares de Racionalidade (IIR) com alunos de Licenciatura em Ciências Naturais, na cidade de Breves, Ilha do Marajó (PA). Este curso enfatiza conhecimentos de Química, Física, Biologia e Geociências. A pesquisa foi desenvolvida na disciplina “Prática Docente para o Ensino de Ciências: Educação em Ciências e Tecnologia”, culminando com a construção de uma IIR. Para esta análise, além do desenvolvimento da IIR, aplicou-se um questionário para identificação de conhecimentos prévios. A análise foi realizada a partir dos produtos da IIR, das respostas aos questionários e das observações do pesquisador no contexto de uma pesquisa-ação. Conclui-se que o uso da abordagem CTS, a partir de IIR, contribui para evidenciar a relação entre os conhecimentos científicos e o cotidiano

Uma Proposta de modelo fisiológico de emoções

Este trabalho apresenta o Modelo Fisiológico de Emoções. Este modelo trata a inteligência através de um ponto de vista biológico. O comportamento de cada componente é avaliado de forma independente e evitando abstrações que não estão de acordo com o funcionamento do corpo. O Modelo Fisiológico de Emoções contém um organismo simplificado incluindo apenas um restrito grupo de órgãos e tecidos constantemente gerando diferentes estímulos a agindo como geradores de intenção. O modelo também difere de abordagens cognitivas e considera um restrito grupo de estados emocionais com manifestações fisiológicas diferentes influenciando a tomada de decisão. O pequeno grupo de órgãos pode produzir diferentes estados fisiológicos quando o organismo está comendo, correndo ou mostrando algum estado emocional específico. O trabalho ainda mostra a implementação de um agente construído com base no modelo

Papel da oscilação da frequência gama na seleção de neurônios e na formação de células de lugar no giro denteado

Esta tese defende a noção de que as oscilações gama não são apenas responsáveis pela atividade sincronizada de neurônios, mas também apresentam uma segunda função: selecionar qual célula principal vai disparar. Este processo de seleção ocorreria através da interação entre excitação e retroalimentação inibitória na freqüência gama. É observado aqui que este processo de seleção não está relacionado com a fração de células disparando a cada ciclo gama, mas sim com a excitação supralimiar (E) dentro de uma percentagem da excitação máxima (E%-max). Este processo é chamado aqui de E%-max winner-take-all ("vencedor-leva-tudo"). Visando testar a utilidade deste modelo, o E%-max é aplicado a duas redes diferentes: no primeiro trabalho é analisado o papel das oscilações no córtex visual primário (V1), um dos poucos sistemas onde tanto a taxa de disparos quando a excitação intracelular foram medidas diretamente. O primeiro trabalho apresentado aqui mostra que um processo de seleção do tipo E%-max winner-take-all fornece uma explicação simples de por que a sintonia de orientação dos disparos é mais estreita que a sintonia de excitação, e por que esta diferença não é alterada com o aumento da excitação. O segundo trabalho investiga como o processo E%-max influencia a formação de células de lugar (place cells) no giro denteado a partir de células de grade (grid cells) corticais. Os resultados mostram que as células granulares simuladas possuem mapas de disparos com um ou mais "campos receptivos espaciais" (place fields) cujo tamanho e número se aproxima dos resultados observados experimentalmente. A conclusão aqui é que esta transformação de entradas e saídas de células granulares no giro denteado não depende fortemente das modificações sinápticas, e que a formação de "campos de lugar" pode ser entendida em termos de simples somatórios de entradas excitatórias escolhidas aleatoriamente juntamente com um mecanismo do tipo E%-max winner-take-all.This work argues that gamma oscillations are not only responsible for synchronized activity but also have a second function: they select which principal cells fire. This selection process occurs through the interaction of excitation with gamma frequency feedback inhibition. Here is observed that this selection process is not related to the fraction of cells firing at each gamma cycle, but rather related to the suprathreshold excitation (E) within E% of the cell that has maximum excitation. The process is called here E%-max winner-take-all. To test the utility of this framework, the E%- max is applied to two different networks: the first work analyzes the role of oscillations in V1, one of the few systems where both spiking and intracellular excitation have been directly measured. This work shows that an E%-max winnertake- all process provides a simple explanation for why the orientation tuning of firing is narrower than that of the excitatory input and why this difference is not affected by increasing excitation. The second work investigates how the E%-max process influences the formation of place cells in dentate gyrus from cortical grid cells. The results show that simulated granule cells have firing maps that have one or more place fields whose size and number approximates those observed experimentally. The conclusion here is that the input-output transformation of dentate granule does not depend strongly on synaptic modification; place field formation can be understood in terms of simple summation of randomly chosen excitatory inputs, in conjunction with a winner-take-all network mechanism

Uma Proposta de modelo fisiológico de emoções

Este trabalho apresenta o Modelo Fisiológico de Emoções. Este modelo trata a inteligência através de um ponto de vista biológico. O comportamento de cada componente é avaliado de forma independente e evitando abstrações que não estão de acordo com o funcionamento do corpo. O Modelo Fisiológico de Emoções contém um organismo simplificado incluindo apenas um restrito grupo de órgãos e tecidos constantemente gerando diferentes estímulos a agindo como geradores de intenção. O modelo também difere de abordagens cognitivas e considera um restrito grupo de estados emocionais com manifestações fisiológicas diferentes influenciando a tomada de decisão. O pequeno grupo de órgãos pode produzir diferentes estados fisiológicos quando o organismo está comendo, correndo ou mostrando algum estado emocional específico. O trabalho ainda mostra a implementação de um agente construído com base no modelo

Papel da oscilação da frequência gama na seleção de neurônios e na formação de células de lugar no giro denteado

Esta tese defende a noção de que as oscilações gama não são apenas responsáveis pela atividade sincronizada de neurônios, mas também apresentam uma segunda função: selecionar qual célula principal vai disparar. Este processo de seleção ocorreria através da interação entre excitação e retroalimentação inibitória na freqüência gama. É observado aqui que este processo de seleção não está relacionado com a fração de células disparando a cada ciclo gama, mas sim com a excitação supralimiar (E) dentro de uma percentagem da excitação máxima (E%-max). Este processo é chamado aqui de E%-max winner-take-all ("vencedor-leva-tudo"). Visando testar a utilidade deste modelo, o E%-max é aplicado a duas redes diferentes: no primeiro trabalho é analisado o papel das oscilações no córtex visual primário (V1), um dos poucos sistemas onde tanto a taxa de disparos quando a excitação intracelular foram medidas diretamente. O primeiro trabalho apresentado aqui mostra que um processo de seleção do tipo E%-max winner-take-all fornece uma explicação simples de por que a sintonia de orientação dos disparos é mais estreita que a sintonia de excitação, e por que esta diferença não é alterada com o aumento da excitação. O segundo trabalho investiga como o processo E%-max influencia a formação de células de lugar (place cells) no giro denteado a partir de células de grade (grid cells) corticais. Os resultados mostram que as células granulares simuladas possuem mapas de disparos com um ou mais "campos receptivos espaciais" (place fields) cujo tamanho e número se aproxima dos resultados observados experimentalmente. A conclusão aqui é que esta transformação de entradas e saídas de células granulares no giro denteado não depende fortemente das modificações sinápticas, e que a formação de "campos de lugar" pode ser entendida em termos de simples somatórios de entradas excitatórias escolhidas aleatoriamente juntamente com um mecanismo do tipo E%-max winner-take-all.This work argues that gamma oscillations are not only responsible for synchronized activity but also have a second function: they select which principal cells fire. This selection process occurs through the interaction of excitation with gamma frequency feedback inhibition. Here is observed that this selection process is not related to the fraction of cells firing at each gamma cycle, but rather related to the suprathreshold excitation (E) within E% of the cell that has maximum excitation. The process is called here E%-max winner-take-all. To test the utility of this framework, the E%- max is applied to two different networks: the first work analyzes the role of oscillations in V1, one of the few systems where both spiking and intracellular excitation have been directly measured. This work shows that an E%-max winnertake- all process provides a simple explanation for why the orientation tuning of firing is narrower than that of the excitatory input and why this difference is not affected by increasing excitation. The second work investigates how the E%-max process influences the formation of place cells in dentate gyrus from cortical grid cells. The results show that simulated granule cells have firing maps that have one or more place fields whose size and number approximates those observed experimentally. The conclusion here is that the input-output transformation of dentate granule does not depend strongly on synaptic modification; place field formation can be understood in terms of simple summation of randomly chosen excitatory inputs, in conjunction with a winner-take-all network mechanism

Memory retrieval time and memory capacity of the CA3 network: Role of gamma frequency oscillations

The existence of recurrent synaptic connections in CA3 led to the hypothesis that CA3 is an autoassociative network similar to the Hopfield networks studied by theorists. CA3 undergoes gamma frequency periodic inhibition that prevents a persistent attractor state. This argues against the analogy to Hopfield nets, in which an attractor state can be used for working memory. However, we show that such periodic inhibition allows one cycle of recurrent excitatory activity and that this is sufficient for memory retrieval (within milliseconds). Thus, gamma oscillations are compatible with a long-term autoassociative memory function for CA3. A second goal of our work was to evaluate previous methods for estimating the memory capacity (P) of CA3. We confirm the equation, P = c/a2, where c is the probability that any two cells are recurrently connected and a is the fraction of cells representing a memory item. In applying this to CA3, we focus on CA3a, the subregion where recurrent connections are most numerous (c = 0.2) and approximate randomness. We estimate that a memory item is represented by ∼225 of the 70,000 neurons in CA3a (a = 0.003) and that ∼20,000 memory items can be stored. Our general conclusion is that the physiological and anatomical findings of CA3a are consistent with an autoassociative function. The nature of the information that is associated in CA3a is discussed. We also discuss how the autoassociative properties of CA3 and the heteroassociative properties of dentate synapses (linking sequential memories) form an integrated system for the storage and recall of item sequences. The recall process generates the phase precession in dentate, CA3, and entorhinal cortex