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Involvement of cerebellar Purkinje cells in adaptive locomotion of larval zebrafish
Involvement of cerebellar Purkinje cells in adaptive locomotion of larval zebrafish
Animals need to adapt their behavior to survive and be successful in a constantly changing environment. Behavioral adaptations can be evoked by two mechanisms: feedback control and internal models. A feedback controller compares current sensory state with desired state and generates a motor output that minimizes their difference; such simple controllers can produce adaptive behavior without changing their own intrinsic parameters. In the central nervous system, however, feedback control is limited by long temporal delays associated with sensory processing required to estimate current sensory state. To overcome this limitation, internal models learn previous sensory-motor history to update parameters of motor control in a predictive manner. In the present study, I use multiple perturbations in visual feedback to show that larval zebrafish acutely adapt their swimming behavior to these perturbations. These acute behavioral changes do not affect an initial stereotyped ballistic portion of the swimming bouts that lasts ~ 220 ms and are unaffected by a pharmaco-genetic ablation of Purkinje cells – the major locus of internal models, suggesting that acute adaptation results from a feedback control mechanism. I support this hypothesis by modelling a simple feedback controller that is based on temporal integration of sensory evidence. The controller is able to closely reproduce all observed aspects of acute adaptation. The main assumption of the model: existence of temporal sensory integration in the larval zebrafish brain is supported by whole-brain functional imaging. On the other hand, during long-term adaptation, larval zebrafish gradually change their behavior, including their swimming kinematics during the ballistic period. In contrast with the acute short-term changes, these behavioral alterations are cerebellum-dependent. In conclusion, adaptive locomotion in larval zebrafish should be understood as a feedback control system whose intrinsic parameters can be modified by cerebellar output., Tiere müssen ihr Verhalten anpassen, um in einem sich verändernden Lebensraum zu überleben. Diese Anpassungen im Verhalten können durch zwei Mechanismen hervorgerufen werden: Rückkopplung und interne Modelle. Ein Regelkreis basierend auf sensorischer Rückkopplung vergleicht den Ist-Zustand mit dem Soll-Zustand und generiert dementsprechend ein Motorsignal, das die Differenz der Zustände minimiert. Solche einfachen Regler können ohne die Veränderung von internen Parametern adaptives Verhalten hervorrufen. Im zentralen Nervensystem sind jedoch diese Regelkreise limitiert durch lange zeitliche Verzögerungen aufgrund der Berechnung des sensorischen Ist-Zustandes. Um diese Einschränkungen zu umgehen, können interne Modelle verwendet werden, die mit Hilfe vorangegangener sensomotorischer Übersetzungen Motorparameter vorhersagen. In dieser Studie verwende ich mehrere Veränderungen in der visuellen Rückkopplung, um zu zeigen, dass Zebrafischlarven ihr Schwimmverhalten aufgrund dieser Veränderungen akut anpassen. Diese akuten Anpassungen im Verhalten beeinflussen allerdings nicht die stereotypen, ballistischen Eigenschaften einzelner Schwimm-Ereignisse („bouts“), die ca. 220 ms andauern. Des Weiteren sind diese beeinträchtigt durch pharmakologisch-genetische Ablationen von Purkinje-Zellen, welche einen Hauptort interner Modelle bilden, was darauf hinweist, dass akute Anpassungen von klassischen Rückkopplungsmechanismen gesteuert werden. Zur Unterstützung dieser Hypothese stelle ich ein Modell eines einfachen Rückkopplungsreglers vor, welches auf der zeitlichen Integration sensorischer Informationen basiert. Dieses Modell kann fast alle beobachteten Aspekte akuter Verhaltensanpassung reproduzieren. Die Hauptannahme des Modells, dass eine zeitliche Integration sensorischer Information im Gehirn von Zebrafischlarven existiert, wird durch funktionelle Bildgebung des gesamten Gehirns unterstützt. Dem gegenüber steht, dass Zebrafischlarven ihr Verhalten während einer Langzeitadaptionsstudie, inklusive der Kinematik ihres Schwimmverhaltens, graduell anpassen. Im Kontrast zu akuten Verhaltensanpassungen sind diese Verhaltensänderungen abhängig vom Kleinhirn. Zusammenfassend kann adaptives Verhalten während der Fortbewegung in Zebrafischlarven als Rückkopplungssystem verstanden werden, dessen intrinsische Parameter durch Signale des Kleinhirns modifiziert werden.
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Markov, Daniil
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Markov, Daniil (2020): Involvement of cerebellar Purkinje cells in adaptive locomotion of larval zebrafish. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

Animals need to adapt their behavior to survive and be successful in a constantly changing environment. Behavioral adaptations can be evoked by two mechanisms: feedback control and internal models. A feedback controller compares current sensory state with desired state and generates a motor output that minimizes their difference; such simple controllers can produce adaptive behavior without changing their own intrinsic parameters. In the central nervous system, however, feedback control is limited by long temporal delays associated with sensory processing required to estimate current sensory state. To overcome this limitation, internal models learn previous sensory-motor history to update parameters of motor control in a predictive manner. In the present study, I use multiple perturbations in visual feedback to show that larval zebrafish acutely adapt their swimming behavior to these perturbations. These acute behavioral changes do not affect an initial stereotyped ballistic portion of the swimming bouts that lasts ~ 220 ms and are unaffected by a pharmaco-genetic ablation of Purkinje cells – the major locus of internal models, suggesting that acute adaptation results from a feedback control mechanism. I support this hypothesis by modelling a simple feedback controller that is based on temporal integration of sensory evidence. The controller is able to closely reproduce all observed aspects of acute adaptation. The main assumption of the model: existence of temporal sensory integration in the larval zebrafish brain is supported by whole-brain functional imaging. On the other hand, during long-term adaptation, larval zebrafish gradually change their behavior, including their swimming kinematics during the ballistic period. In contrast with the acute short-term changes, these behavioral alterations are cerebellum-dependent. In conclusion, adaptive locomotion in larval zebrafish should be understood as a feedback control system whose intrinsic parameters can be modified by cerebellar output.

Abstract

Tiere müssen ihr Verhalten anpassen, um in einem sich verändernden Lebensraum zu überleben. Diese Anpassungen im Verhalten können durch zwei Mechanismen hervorgerufen werden: Rückkopplung und interne Modelle. Ein Regelkreis basierend auf sensorischer Rückkopplung vergleicht den Ist-Zustand mit dem Soll-Zustand und generiert dementsprechend ein Motorsignal, das die Differenz der Zustände minimiert. Solche einfachen Regler können ohne die Veränderung von internen Parametern adaptives Verhalten hervorrufen. Im zentralen Nervensystem sind jedoch diese Regelkreise limitiert durch lange zeitliche Verzögerungen aufgrund der Berechnung des sensorischen Ist-Zustandes. Um diese Einschränkungen zu umgehen, können interne Modelle verwendet werden, die mit Hilfe vorangegangener sensomotorischer Übersetzungen Motorparameter vorhersagen. In dieser Studie verwende ich mehrere Veränderungen in der visuellen Rückkopplung, um zu zeigen, dass Zebrafischlarven ihr Schwimmverhalten aufgrund dieser Veränderungen akut anpassen. Diese akuten Anpassungen im Verhalten beeinflussen allerdings nicht die stereotypen, ballistischen Eigenschaften einzelner Schwimm-Ereignisse („bouts“), die ca. 220 ms andauern. Des Weiteren sind diese beeinträchtigt durch pharmakologisch-genetische Ablationen von Purkinje-Zellen, welche einen Hauptort interner Modelle bilden, was darauf hinweist, dass akute Anpassungen von klassischen Rückkopplungsmechanismen gesteuert werden. Zur Unterstützung dieser Hypothese stelle ich ein Modell eines einfachen Rückkopplungsreglers vor, welches auf der zeitlichen Integration sensorischer Informationen basiert. Dieses Modell kann fast alle beobachteten Aspekte akuter Verhaltensanpassung reproduzieren. Die Hauptannahme des Modells, dass eine zeitliche Integration sensorischer Information im Gehirn von Zebrafischlarven existiert, wird durch funktionelle Bildgebung des gesamten Gehirns unterstützt. Dem gegenüber steht, dass Zebrafischlarven ihr Verhalten während einer Langzeitadaptionsstudie, inklusive der Kinematik ihres Schwimmverhaltens, graduell anpassen. Im Kontrast zu akuten Verhaltensanpassungen sind diese Verhaltensänderungen abhängig vom Kleinhirn. Zusammenfassend kann adaptives Verhalten während der Fortbewegung in Zebrafischlarven als Rückkopplungssystem verstanden werden, dessen intrinsische Parameter durch Signale des Kleinhirns modifiziert werden.