December 1st, 2023
11:00
(C3b/-110) Auditorium CRM

Prefrontal circuits underlying working memory encoding and maintenance

 

PhD candidate: Nicolás Pollán Hauer

Academic tutor: Lluís Alsedà i Soler

Thesis supervisor: Klaus Wimmer

abstract

Working memory, the capacity to maintain and manipulate information in our minds when it is no longer available in the environment, is a central function of cognition. One of the most important neuronal correlates of this cognitive function are the so-called persistent neurons, which respond selectively to sensory stimulation and sustain their increased activity even after removing the stimulus. This phenomenon, most frequently observed in the prefrontal cortex, has been successfully described by neural network models with attractor dynamics. However, only a few of the neurons engaged in working memory tasks have persistent activity. Moreover, analysis of the experimental recordings at the population level reveals that the code undergoes a change between the stimulus presentation and the maintenance epochs, which is not compatible with a working memory code that would only rely on stably active persistent cells. The prevalence of this finding has motivated the proposal of alternative mechanisms, but current computational models that explain dynamics fail to include stable epochs or do not provide a clear mechanistic interpretation.

In this thesis, we use statistical data analysis and neural network modeling to investigate whether specialized neuronal subpopulations underlie the stable and dynamic working memory codes.

First, we investigated the connection between the observed dynamics in the working memory code and the functional structure of the prefrontal circuits. We analyzed prefrontal recordings from behaving macaque monkeys and observed that feature selectivity is non-randomly distributed across the neurons. This non-random or structured feature selectivity distribution is related to functional distinct subpopulations whose contrasting activity explains the dynamic to stable transition in the working memory code.

Second, we developed a computational model that represents three functional subpopulations as attractor networks working on different dynamic regimes. The model illustrates how the population structure, which implies different neurons active at different task epochs, is directly related to the dynamic transition in the code. Furthermore, we show how the three-network architecture can be easily extended to account for additional features, such as ramping activity and variable maintenance periods.

Third, our subpopulation-based networks have the functional advantage of being robust against distracting stimuli. The model captures the experimentally observed vulnerability to distractors presented shortly after stimulus removal. Moreover, it predicts that top-down feedback enhances the overall network’s robustness.

In summary, we show how the presence of functional subpopulations in the prefrontal cortex can be related to the dynamic to stable transition in the working memory code and to an enhanced capacity to filter out distracting stimuli. In conclusion, our work reconciles attractor dynamics with the observed dynamic changes in the code, still suggesting that attractor dynamics are essential for working memory maintenance.

CRM Comm

CRM Comm

Pau Varela & Mariona Fucho

CRMComm@crm.cat

Subscribe for more CRM News

Stay updated to our mailing list to get the lastest information about CRM activities.

Exploring Career Pathways for Mathematics Graduates: Insights from the ‘And after the Degree, What?’ Roundtable

Exploring Career Pathways for Mathematics Graduates: Insights from the ‘And after the Degree, What?’ Roundtable

The roundtable titled “And after the Degree, What?” held at the Universidad de La Rioja, during the Conference of Deans of Mathematics, explored various career options for mathematics graduates, such as academia and industry. David Romero, head of the Knowledge Transfer Unit (KTU) at CRM, discussed the unique aspects of industrial PhDs, emphasizing their value in producing highly qualified professionals.

Participació del CRM a l’EspaiCiència

Participació del CRM a l’EspaiCiència

El passat 13 de març, Andrea Suárez, Fernando Gastón i Marcel Morillas, de la Unitat de Transferència del Coneixement del CRM (KTU), juntament amb Pau Varela i Mariona Fucho, de comunicació i divulgació, van participar a l’EspaiCiència dins del...

El matemàtic francès Michel Talagrand guardonat amb el premi Abel 2024

El matemàtic francès Michel Talagrand guardonat amb el premi Abel 2024

El Premi Abel 2024 ha estat atorgat a Michel Talagrand, matemàtic del Centre Nacional de la Recerca Científica (CNRS) a París, França. Talagrand ha desenvolupat la seva recerca en la teoria de probabilitats i l’anàlisi funcional, disciplines que investiguen el comportament dels processos aleatoris i les propietats dels espais i funcions. El Premi Abel, sovint comparat amb el Premi Nobel de matemàtiques, va ser establert pel govern noruec el 2002 per honorar el 200è aniversari del naixement de Niels Henrik Abel, un matemàtic noruec.

Estudiants de l’Institut La Vall del Tenes de Barcelona visiten el CRM

Estudiants de l’Institut La Vall del Tenes de Barcelona visiten el CRM

Més de cinquanta estudiants de l’Institut La Vall del Tenes de Barcelona van visitar el Centre de Recerca Matemàtica (CRM) el 21 de març, com a part de la seva participació en les proves Cangur. Durant la visita, els estudiants van poder conèixer de primera mà el món de la recerca científica a través de tres investigadors predoctorals del CRM, que van compartir els seus coneixements i experiències en camps tan diversos com la biologia matemàtica, neurociència i sistemes dinàmics.

El CRM participa en l’Exporecerca Jove donant un premi especial

El CRM participa en l’Exporecerca Jove donant un premi especial

El CRM va participar a l’edició de l’Exporecerca Jove celebrada del 6 al 9 de març, on va atorgar un premi especial al millor treball de matemàtiques o de contingut matemàtic. L’Exporecerca Jove és una fira de recerca internacional per a estudiants de secundària i batxillerat. Els projectes són avaluats per un jurat qualificat.

I Concurs Visible Figures – Matemàtiques

I Concurs Visible Figures – Matemàtiques

En celebració de l'11 de Febrer, el Dia de la Dona i la Nena en la Ciència, el Centre de Recerca Matemàtica va organitzar el I Concurs Visible Figures - Dones Matemàtiques. En aquest concurs, els i les participants havien de cercar els diferents...

Call for applications: CRM Director

Call for applications: CRM Director

The Centre de Recerca Matemàtica (CRM) is a CERCA institute created in 1984 by the Institut d’Estudis Catalans. Its remit is to be a resource of excellence in mathematical research and training at international level. Its specific aims are: 1....

Un nou projecte internacional investigarà el paper dels receptors d’acetilcolina en la formació i estabilització de la memòria.

Un nou projecte internacional investigarà el paper dels receptors d’acetilcolina en la formació i estabilització de la memòria.

Aquesta investigació és dirigida per Alex Roxin, investigador principal del grup de neurociència del CRM, i Yingxue Wang, de l’Institut de Neurociència Max Planck a Florida, amb el suport financer del programa CRCNS de la National Science Foundation dels EUA. S’explorarà l’impacte dels receptors muscarínics d’acetilcolina (mAChRs) en la creació i la consistència dels patrons d’activitat del cervell que formen part de la nostra memòria, especialment en les neurones piramidals de l’hipocamp en la zona CA1. Combinant teoria i experiments pràctics, i utilitzant les últimes eines neurofarmacològiques, aquest projecte pot identificar objectius específics per tractar trastorns de la memòria, com l’Alzheimer.