A simple model for eletrocommunication – “refractoriness avoidance response”?

Guariento, Rafael Tuma; Mosqueiro, Thiago; Caputi, Ángel A.; Pinto, Reynaldo D.

doi:10.1186/1471-2202-15-s1-p68

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“…Similar to the 'electrosensory refractoriness avoidance' described in the South American gymnotiform Gymnotus (Guariento et al 2014), which is based on a strongly reduced sensitivity to electrical signals for a short period following each EOD in these functionally similar, but unrelated weakly electric fish (Westby 1975) echoing mormyrids ensure that a sender places its EOD after the period of reafferent inhibition of the receiver's knollenorgans, while simultaneously avoiding coincidence with the receiver's next EOD. This refractoriness avoidance through echoing will therefore guarantee that the receiver can detect the signal generated by the sender.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 94%

Electric signal synchronization as a behavioural strategy to generate social attention in small groups of mormyrid weakly electric fish and a mobile fish robot

2021

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African weakly electric fish communicate at night by constantly emitting and perceiving brief electrical signals (electric organ discharges, EOD) at variable inter-discharge intervals (IDI). While the waveform of single EODs contains information about the sender’s identity, the variable IDI patterns convey information about its current motivational and behavioural state. Pairs of fish can synchronize their EODs to each other via echo responses, and we have previously formulated a ‘social attention hypothesis’ stating that fish use echo responses to address specific individuals and establish brief dyadic communication frameworks within a group. Here, we employed a mobile fish robot to investigate the behaviour of small groups of up to four Mormyrus rume and characterized the social situations during which synchronizations occurred. An EOD-emitting robot reliably evoked social following behaviour, which was strongest in smaller groups and declined with increasing group size. We did not find significant differences in motor behaviour of M. rume with either an interactive playback (echo response) or a random control playback by the robot. Still, the robot reliably elicited mutual synchronizations with other fish. Synchronizations mostly occurred during relatively close social interactions, usually when the fish that initiated synchronization approached either the robot or another fish from a distance. The results support our social attention hypothesis and suggest that electric signal synchronization might facilitate the exchange of social information during a wide range of social behaviours from aggressive territorial displays to shoaling and even cooperative hunting in some mormyrids.

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Section: Discussionmentioning

confidence: 94%

Electric signal synchronization as a behavioural strategy to generate social attention in small groups of mormyrid weakly electric fish and a mobile fish robot

2021

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“…The system described in this paper (source code at [8]) can be applied to neuroscience research both on in vivo or in vitro experiments requiring deterministic timing and synchronous stimuli generation, such as the study of neural coding on the visual system of flies [21]. It can also be applied to experiments in neuroethology, for example on the analysis of electrocommunication signals produced by pulse-type electric fish [22,23,24,25]. The employed digital pulse timestamping technique allows to achieve a measurement precision in the order of 1 µs, much higher than most ADC-based acquisition systems.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Modular Acquisition and Stimulation System for Timestamp-Driven Neuroscience Experiments

Matias

Guariento

Almeida

et al. 2015

Lecture Notes in Computer Science

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Dedicated systems are fundamental for neuroscience experimental protocols that require timing determinism and synchronous stimuli generation. We developed a data acquisition and stimuli generator system for neuroscience research, optimized for recording timestamps from up to 6 spiking neurons and entirely specified in a high-level Hardware Description Language (HDL). Despite the logic complexity penalty of synthesizing from such a language, it was possible to implement our design in a low-cost small reconfigurable device. Under a modular framework, we explored two different memory arbitration schemes for our system, evaluating both their logic element usage and resilience to input activity bursts. One of them was designed with a decoupled and latency insensitive approach, allowing for easier code reuse, while the other adopted a centralized scheme, constructed specifically for our application. The usage of a high-level HDL allowed straightforward and stepwise code modifications to transform one architecture into the other. The achieved modularity is very useful for rapidly prototyping novel electronic instrumentation systems tailored to scientific research.

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“…(17) Modelos simplificados similares são comumente utilizados para estudar sincronização de grupos de neurônios. (18,19) Explico o modelo e a metodologia no capítulo 3, e no capítulo 4 exponho meus resultados. Em especial, aponto que a performance da rede parece não estar ligada exatamente com a existência de leis de potência, mas com a otimização de uma entropia do sistema.…”

Section: Como Esta Tese Está Organizadaunclassified

Processamento de informação em redes neurais sensoriais

Mosqueiro¹

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Com os avanços em eletrônica analógica e digital dos últimos 50 anos, a neurociência ganhou grande momentum e nasceu uma de suas áreas que atualmente mais recebe financiamento: neurociência computacional. Estudos nessa área, ainda considerada recente, vão desde estudos moleculares de trocas iônicas por canais iônicos (escala nanométrica), até influências de populações neurais no comportamento de grandes mamíferos (escala de até metros). O coração da neurociência computacional compreende técnicas inter-e multidisciplinares, envolvendo biologia de sistemas, bioquímica, modelagem matemática, estatística, termodinâmica, física estatística, etc. O impacto em áreas de grande interesse, como o desenvolvimento de fármacos e dispositivos militares, é a grande força motriz desta área. Especificamente para este último, a compreensão do código neural e como informação sensorial é trabalhada por populações de neurônios é essencial. E ainda estamos num estágio muito inicial de desvendar todo o funcionamento de muitos dos sistemas sensoriais mais complexos. Um exemplo é de um dos sentidos que parece existir desde as formas mais primitivas de vida: o olfato. Em mamíferos, o número de estudos parece sempre crescer com os anos. Ainda estamos, no entanto, longe de um consenso sobre o funcionamento de muitos dos mecanismos básicos do olfato. A literatura é extensa em termos bioquímicos e comportamental, mas reunir tudo em um único modelo é talvez o grande desafio atual. Nesta tese discuto, em duas partes, sistemas sensoriais seguindo uma linha bastante ligada ao sistema olfativo. Na primeira parte, um modelo formal que lembra o bulbo olfativo (de mamíferos) é considerado para investigar a relação entre a performance da codificacção neural e a existência de uma dinâmica crítica. Em especial, discuto sobre últimos experimentos baseados em observações de leis de potência como evidências da existência de criticalidade e ótima performance em populações neurais. Mostro que, apesar de a performance das redes estar, sim, ligada ao ponto crítico do sistema, a existência de leis de potência não está ligada nem com tal ponto crítico, nem com a ótima performance. Experimentos recentes confirmam estas observações. Na segunda parte, discuto e proponho uma modelagem inicial para o órgão central do sentido olfativo em insetos: o Corpo Cogumelar. A novidade deste modelo está na integração temporal, além de conseguir tanto fazer reconhecimento de padrões (qual odor) e estimativa de concentrações de odores. Com este modelo, proponho uma explicação para uma recente observação de antecipação neural no Corpo Cogumelar, em que sua última camada paradoxalmente parece antecipar a primeira camada. Proponho a existência de um balanço entre agilidade do código neural contra acurácia no reconhecimento de padrões. Este balanço pode ser empiricamente testado. Também proponho a existência de um controle de ganho no Corpo Cogumelar que seria responsável pela manutenção dos ingredientes principais para reconhecimneto de padrões e aprendizado. Ambas estas partes cont...

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A simple model for eletrocommunication – “refractoriness avoidance response”?

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Electric signal synchronization as a behavioural strategy to generate social attention in small groups of mormyrid weakly electric fish and a mobile fish robot

Electric signal synchronization as a behavioural strategy to generate social attention in small groups of mormyrid weakly electric fish and a mobile fish robot

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