מערכות סנסוריות (עיבוד במערכת החושים) (0455.3090)

מרצה הקורס: ד"ר שיין-אידלסון מארק (מרכז הקורס), ד"ר בלינדר פבלו, ד"ר מורן ענן, פרופ' פרנס משה

רציונל הקורס:

לבני אדם ולבעלי חיים יש יכולת יוצאת דופן לחוות, לפרש ולפעול בעולם הסובב אותנו. אנו עושים זאת על ידי איסוף מידע חושי וניתוחו באמצעות מערכת העצבים. מערכת זו "עוצבה" בקפידה במהלך מאות מיליוני שנים של אבולוציה וביצועיה עולים על מערכות מלאכותיות מעשה ידי אדם.

במהלך הקורס נתמקד בעקרונות היסוד של מבנה מערכת החושים ותפקודה. באופן פרטני, נסקור שלושה היבטים עיקריים: 1) הביולוגיה והביו-פיסיקה של אברי החישה, המאפשרים לנו לאסוף מידע מורכב ברמת דיוק גבוהה ולתרגם אותו לפעילות עצבית. 2) המבנה הייחודי והתפקוד של המעגלים עצביים המסננים והמעבדים מידע חושי. 3) האסטרטגיות שהמוח משתמש בהן כדי לפרש מידע חושי ולאחד אותו לכדי פרספציה כוללת. באמצעות גישה השוואתית, נדון הן בהתמחויות של כל חוש והן בעקרונות המשותפים החלים על המבנה ועיבוד המידע בכל מערכות החושים. הקורס יכלול גם הרצאות גם תרגילים בהם ננתח את פעילות עצבית שנרשמה ממערכות חושיות . הקורס יכלול הרצאות ותרגילים בהם ננתח אותות חושיים. ביצוע התרגילים דורש מיומנויות תכנות במטלב (אולם ניתן יהיה לבצע את העיבוד גם בשפות תכנות אחרות כגון פייתון).

Course rational and syllabus

Humans and other animals have a remarkable ability to perceive, interpret and interact with the world around us. We do that by gathering information through our senses and analysing this information using our nervous system. The sophisticated design of this system was crafted by hundreds of millions of years of evolution and its performance is still unmatched by any man made machine.

Throughout the course we will focus on the fundamental principles of sensory systems design and function. Specifically, we will cover three main aspects: 1) The biology and biophysics of our sensory modalities which allow us to acquire complex information with high precision and transduce it into neuronal activity. 2) The unique structure and function of the neuronal circuits which filter and process sensory information for each modality. 3) The strategies that the brain employs to interpret sensory information and integrate it to form perception. Using a comparative approach, we will explore both the specializations of each sensory modality as well as the shared principles that govern sensory systems design and processing (across modalities and species). The course will include frontal lectures as well as hands on exercises in which we will analyse the neuronal activity recorded from real sensory systems.

Course organization

Throughout the course we will review all the main sensory modalities separately (vision, audition, somato-sensation, olfaction and taste) but put a greater emphasis on vision. We will discuss the common features shared by different modalities: receptor packaging, voltage transduction to rate codes, line labeling, topographic organization, convergence divergence, adaptation, novelty detection, normalization, noise and variability, I-E balance, lateral inhibition, tuning, gating, organization of population patterns and synchronization, active sensing, recurrent activation and feedback loops, internal models and sensory illusions, feature binding.

Exercises

The course is motivated by the notion that understanding neural processing schemes can highly benefit from hands on experience. For this reason, one hour each week will be dedicated to exercises. During these exercises, the students will be given the opportunity to work with datasets of neuronal activity recorded in response to sensory stimulations in different brain areas and across modalities. The exercises will include an introduction to these data sets and students will be asked to analyse these data sets and submit reports based on this analysis. The exercises require programming skills in Matlab (analysis in other programming languages such as Python will also be accepted).

Week/שבוע	Topic/נושא	Lecturer/מרצה
1	Introduction to sensory systems design and tools in sensory systems research. Basic description and differential perception, tools in sensory systems research (psychophysics, anatomy, electrophysiology, pharmacology, imaging and optogenetics), general architecture of sensory systems, design principles, the evolution of sensory systems, beyond the 5 senses (Magnetoreception, electroreception lateral line, pit organ, echolocation)	Mark Shein-Idelson
2-5	Vision The structure and evolution of the eye, biophysics of vision, photoreceptors and photo transduction, cell types in the retina, micro-circuits (design & connectivity), function of different cell types and retinal networks, the optic nerve and pathways from the retina to the brain, thalamic organization representations, and relay, parvo/magno cellular pathways, organization and function in the primary visual cortex, tuning in the visual system, spatial distribution of representations, binocularity, pinwheels, processing in higher visual areas, the ventral and dorsal streams, color perception, motion analysis and perception, complex feature perception, active sensing, neural circuits controlling the eye, eye movements, sampling of the visual world, visual illusions.	Mark Shein-Idelson
6-7	Somatosensation Mechano-recptors, nociceptors, heat receptors, the whisker system, follicle biophysics, lemniscal pathways, trigeminal circuits, somatosensation circuits and processing in the thalamus, the barrel cortex, canonical circuits across layers, cortical state and somatosensation, loops in the somatosensory system, exploratory whiskey behaviour active sensing, oscillations and coordination by rhythms, motor planning.	Pablo Blinder
8	Olfaction Structure of the nose, olfactory receptors, receptor genes, odour transduction, circuits and organization of the olfactory bulb, structure and function of the olfactory cortex, convergence divergence in the olfactory pathway, sparse coding of odours, the accessory olfactory system, the olfactory system of insects and comparative insights.	Moshe Parnas
9-10	Taste Tastes, taste receptors, taste buds and taste cells, distribution of taste cells in the mouth, anatomical pathways from the taste cells to and within the CNS, labelled lines and across fibres models of taste information processing, firing rate coding and temporal/dynamic coding in the taste system, internal states and taste coding	Anan Moran
11-12	Audition structure of the ear, biophysics of hair cells, the organization of the cochlea, function and circuits in the cochlear nucleus, sound localization, superior olive and inferior colliculus, organization and processing in the auditory cortex.	Mark Shein-Idelson
13	Multimodal processing and integrated patterns of brain dynamics. Structure and function of the superior colliculus (optic tectum), sensory integration in the superior colliculus, Multi-modal processing in the cortex, the binding problem, contemporary views emerging from large scale simultaneous recordings and their impact on our understanding of sensory processing (we will review in detail three recent papers exploring the concept of shared representations across brain areas), open questions, course summary.	Mark Shein-Idelson

 

קהל היעד: סטודנטים לתואר ראשון שנים ב'-ג' בפקולטה למדעי החיים או בבית ספר סגול למדעי המוח, וסטודנטים לתארים מתקדמים מכל הפקולטות.

Target students: Advanced (2nd,3rd ) undergraduate students from life sciences or the Sagol school for neuroscience and graduate students from all faculties.

 

דרישות קדם: 1) אחד מקורסי המבוא הבאים או קורס מקביל בנוירוביולוגיה: מבוא לנוירוביולוגיה (0455-2237), נוירוביולוגיה 1 (0104-1408), נוירוביולוגיה (1500-2000). 2) קורס בתכנות (מטלב או פייתון).
קבלה לקורס ללא דרישות קדם תישקל על בסיס אישי ובתיאום עם אחד ממרצי הקורס.

Prerequisites: 1) An introductory course in neurobiology (one of the following or an equivalent 0455-2237, 0104-1408, 1500-2000), 2) A course in programming (Matlab or Python). Acceptance to the course without prerequisites will be considered on a personal basis following consultation with the course lecturers.

 

 

הרכב ציון: מבחן (50%) + עבודות (50%)