Lick & Run: Identifying behavioral modulation in cerebellar Purkinje cells

Abstract

O cerebelo é uma área chave do nosso cérebro na execução de movimentos regulares e coordenados. Ainda que o conhecimento sobre a organização anatómica do cortex cerebelar seja extenso, pouco se sabe sobre como informaçoes diferentes convergem e são representadas neste circuito, possibilitando a coordenação de todo o corpo. Neste projeto, realizámos gravações eletrofisiológicas de células Purkinje em murganhos durante locomoção e consumo de água com cabeça imobilizada, para identificar e quantificar diferentes representações de comportamento em células individuais. Esta dissertação foca-se apenas na análise realizada para identificar e quantificar modulações associadas ao consumo de água. Assim como a literatura, identificámos dois tipos de resposta por parte das células: uma associada a movimentos de língua individuais e outra associada ao consumo de água no geral. Contudo, identificámos nos nossos dados uma correlação entre o início de consumo de água e variações de velocidade de locomoção, em que o método anterior não é capaz de destrinçar. Para minimizar o efeito desta correlação, quantificámos as contribuições individuais da velocidade, movimentos individuais da língua e consumo de água na atividade da célula, através de Modelos Aditivos Generalizados. Identificámos que a maioria das células são moduladas pela velocidade de locomoção e que, simultaneamente, os dois tipos de modulações associadas ao consumo de água estão igualmente representadas na nossa população, por vezes havendo células que possuem os três tipos de modulação ao mesmo tempo. Também realizámos uma análise preliminária que sugere uma relação fraca entre a localização anatómica das células e as suas modulações. Resumindo, estes resultados demonstram que células Purkinje individuais codificam combinações de representações de pelo menos dois comportamentos: locomoção e consumo de água, e que estas podem estar relacionadas com a sua posição no cerebelo.

The cerebellum is a key brain structure to execute smooth, coordinated movements. Although a lot is known about the anatomical organization of the cerebellar cortex, we still don’t have a clear view of how different information converges and is represented within this circuit to allow for whole-body coordination. In this project, we performed cell-attached recordings of Purkinje cells in mice during head-fixed locomotion and licking, to identify and quantify the different representations of behavior in single cells. For this dissertation we only focused on the analyses conducted to identify and quantify licking-related modulations. In accordance with previous studies, our time alignment analysis demonstrated two types of licking-related cell responses: single lick and lick bout modulation. However, we identified a correlation between lick bout onsets and locomotion speed variation in our dataset which could not be disentangled with the previous method. To minimize this confounding correlation, we quantified the contributions of speed, single licks and lick bouts to the firing rate of the cell, through Generalized Additive Models. We found that most cells were speed modulated and that, simultaneously, single lick and lick bout modulation were equally present in our population, sometimes exhibiting the three types of modulation at the same time. We also performed preliminary analysis that suggest a weak relationship between the cell anatomical locations and their modulations. Altogether, these results demonstrate that single Purkinje cells encode combined behavioral representations of at least two different behaviors: licking and locomotion, which might be related to their position within the cerebellum.