 |
Nucleus specific GABAergic control of thalamocortical activity
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109754 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Acsády, László |
| Title in Hungarian |
A talamokortikális aktivitás mag-specifikus GABAerg szabályozása |
| Title in English |
Nucleus specific GABAergic control of thalamocortical activity |
| Keywords in Hungarian |
gátlás, oszcilláció, szinaptikus, extraszinaptikus, optogenetika, alvás |
| Keywords in English |
inhibition, oscillation, synaptic, extrasynaptic, optogenetics, sleep |
| Discipline |
| Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Neurobiology |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Laboratory of Thalamus Research (Institute of Experimental Medicine) |
| Participants |
Barthó, Péter
Bokor, Hajnalka
Faradzs-zade, Lejla
Hádinger, Nóra
Mátyás, Ferenc
Plattner, Viktor
Rovó, Zita
|
| Starting date |
2013-10-01 |
| Closing date |
2018-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
41.844 |
| FTE (full time equivalent) |
22.68 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Minden agyi aktivitás a serkentés és a gátlás érzékeny egyensúlyán alapul. A gátlás egy nagyon sokrétű folyamat, mely számos különböző sejtcsoport és a posztszinaptikus receptor alegységek komplex kombinációja által valósul meg. A gátlás sokféleségét leginkább a kéregben tanulmányozták, de a legújabb eredmények arra utalnak, hogy a gátlás heterogén a talamuszban is, mely az agykérget látja el a jelfeldolgozáshoz szükséges alapvető információkkal. Hálózati szinten számos talamikus mag kap kettős GABAerg beidegzést, egyrészt a retikuláris talamikus mag (nRT) felől, másrészt bizonyos kéregalatti központokból (extraretikuláris gátlás). Molekuláris szinten a talamokortikális sejtek két különböző posztszinaptikus GABA-A receptor típust expresszálnak, az egyik a gyors, fázikus, a másik a lassú, tónusos gátlásért felelős. Azonban e GABAerg mechanizmusok egyedi komponensei nem tanulmányozhatók hagyományos farmakológiai és elektrofiziológiai módszerekkel, ezek korlátozott tér-, és időbeli felbontása miatt.
Jelen projetben egy olyan kísérletsorozatot tervezünk, mely alkalmas a talamikus GABAerg folyamatok funkcionális vizsgálatára in vivo, az egyes komponensek térben és időben kontrollált aktiválása/inaktiválása által. Az egyes receptor típusokat és afferens rendszereket farmakogenetikai és optogenetikai módszerekkel kontrolláljuk. Meghatározzuk a fázikus gátlás szerepét a ritmikus agyi aktivitásban, összehasonlítjuk a retikuláris és extraretikuláris gátlást, és vizsgáljuk a GABAerg folyamatok módosításának hatását olyan talamikus magvakban, melyek különböző kérgi ki-, és bemenettel rendelkeznek.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
1) A fázikus (értsd szinaptikus) gátlás szerepét szelektíven a GABA-A receptor gamma2 alegységet érintő vírus mediálta gén-átvitellel vizsgáljuk.
Kérdések:
a) Megváltoztatja-e a talamokortikális sejtek tüzelési tulajdonágait a fázikus gátlás megszüntetése/erősítése?
b) Érinti-e ez a beavatkozás a jól ismert talamokortikális oszcillációkat (lassú delta-, és a gyorsabb orsó hullámok)?
c) A GABA-A receptorok megváltoztatása a különböző talamikus magokban különböző módon változtatja-e meg a kérgi aktivitást?
2) Az extraretikuláris GABAerg gátlás szerepét egy újonnan felfedezett agytörzsi eredetű gátló rendszeren vizsgáljuk, mely szelektíven a tudatos és kognitív folyamatokban szerepet játszó talamikus intralamináris magvakat idegzi be. E gátló pályát fogjuk aktiválni/inaktiválni optogenetikai módszerekkel.
Kérdések:
a) Milyen viselkedésbeli következményei vannak az agytörzsi gátlópálya szelektív aktivációjának/inaktivációjának a talamuszban különböző éberségi szinteken (éber, lassú hullámú alvás, REM alvás)?
b) Hogyan változik meg az aktivitás a talamokortikális hálózat egyes elemeiben (talamusz, agykéreg, striatum)?
3) A retikuláris GABAerg rendszer szerepét szintén optogenetikai módszerekkel vizsgáljuk. Korábbi vizsgálatok szerint az nRT fotoaktivációjával kiváltható alvási orsó.
Kérdések:
a) Hasonló a talamikus hálózat aktivitása a kiváltott és a spontán előforduló orsók során?
b) Mutat valamilyen magspecificitást az orsó kialakulása?
c) Plasztikus folyamat az orsó kialakulása?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A normális agykérgi aktivitáshoz nélkülözhetetlen a talamusz. Szerepe ismert a szenzoros információ feldolgozásban, a magasabb rendű kognitív folyamatokban, az alvási oszcillációkban és számos neurológiai kórképben (Parkinson-kór, epilepszia, krónikus fájdalom, skizofrénia, stb.). A GABAerg szabályozás elengedhetetlen mindezen funkciókhoz, az aberráns GABAerg működés patológiás oszcillációkhoz vezet. A talamusz azonban egy heterogén struktúra, amely számos elkülönült magból áll. A különböző magvak eltérő kortikális területekre és rétegekbe vetítenek. Újabb eredmények szerint, hogy az egyes talamikus magvak különböznek a bemeneteik alapvető felépítését illetően is. A talamusz feladatának megértéséhez tehát a kulcs a talamikus hálózatokba való régió specifikus beavatkozás. A klasszikus farmakológiai és fiziológiai módszerek nem képesek megfelelően szelektíven módon befolyásolni egy adott receptor típust vagy idegmagot. Pl. a fázikus vagy tónusos gátlásnak nincs szelektív anatagonistája. Ezen kívül a hatóanyagok pontos hatótávolsága nem meghatározható, pontos időzítésük nem oldható meg ezekkel a módszerekkel. Jelen projektben olyan farmakogenetikai és optogenetikai módszereket kívánunk használni, melyek képesek biztosítani a szükséges molekuláris, tér-, és időbeli specificitást.
A vírus mediált gén-átvitel lehetővé teszi egy adott gén kivágását/cseréjét a felnőtt állatban. Ezzel minimalizálhatóak a kompenzációs folyamatok (a KO állatok klasszikus problémája). A beavatkozás helye és térbeli kiterjedése sztereotaktikus injekcióval szabályozható. A virus infekció és az elvezetett sejt pontos magon belüli helyzete meghatározható post hoc immuncitokémiai módszerekkel. Az optogenetika a jó térbeli kontrolálhatóság mellett, igen preciz időbeli szabályozást is lehetővé tesz. A magspecifikus GABAerg bemenetek a talamuszban lehetővé teszik egy adott mag optogenetikai manipulálását, anélkül, hogy más rendszereket érintenénk.
Jelen projektünk az első kísérlet arra, hogy a talamikus GABAerg mechanizmusokat magspecifikusan szabályozzuk és vizsgáljuk ennek a talalmokortikális rendszerre gyakorolt hatását. Ez a megközelítés új utat nyit az egyes talamikus magvak szerepének megértéséhez normális és patológiás működés során.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Minden magasabb rendű idegi funkció, mint az érzékelés, gondolkodás, tanulás és komplex érzelmek az agykéregtől függ, mely egy tekervényes struktúra az emberi agy felszínén. Az agykéreg azonban nem tudja egyedül ellátni feladatát. Minden pontja kétirányú összeköttetésben áll egy másik agyi területtel, a talamusszal. Semmilyen információ nem érheti el az agykérget úgy, hogy a talamuszt ne érintené és minden információ feldolgozása a két struktúra komplex együttműködésével zajlik. Az agykéreg és a talamusz közötti kommunikáció serkentő és gátló aktivitás finom egyensúlyával valósul meg. Számos fő neurológiai kórképben a tüneteket a talamusz rendellenes gátlása eredményezi. Például epilepsziában és neuropátiás fájdalomban a gátlás csökken, Parkinson-kórban a gátlás időzítése változik meg. A kórképtől függően ezek a rendellenes működések a talamusz különböző területein jelennek meg, mivel a talamusz különböző magokból áll, melyek mindegyikének megvan a saját információ átviteli logikája. Hogy megérthessük a talamikus gátlás szerepét, el kell érni az egyes gátló folyamatok szelektív szabályozását. Jelen tématervben úgy kívánjuk tanulmányozni a talamuszt, hogy a gátlást jól meghatározott területeken befolyásoljuk. A legmodernebb molekuláris és elektrofiziológiai módszereket használjuk beleértve egyes fehérjék eltávolítását, egyedi idegpályák aktiválását fénnyel és számos idegsejt működésének egyidejű felvételét.
Az eredmények megmutathatják, hogy a rendszer egyes elemei hogyan járulnak hozzá a teljes talamokortikális aktivitáshoz, ez pedig segít annak megértésében hogy mi lehet a különböző talamusz magvak feladata normális állapotban és kóros működés kialakulásakor.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
All brain activities depend on a critical balance between excitation and inhibition. Inhibition is a widely heterogeneous process involving distinct cell types and complex combinations of postsynaptic receptor subunits. Heterogeneity of inhibition is best studied in the cortex but recent data show that inhibition is also heterogeneous in the thalamus, which provides essential information for cortical signal processing. At the systems level, many thalamic nuclei receive dual GABAergic innervation, one from the reticular thalamic nucleus (nRT) and another from well-defined subcortical centers (extrareticular inhibition). At the molecular level, thalamocortical cells express two distinct sets of postsynaptic GABA-A receptor complexes mediating fast, phasic and slow, tonic inhibition. The individual components of these GABAergic mechanisms cannot be studied by conventional pharmacological and electrophysiological tools due to their limited spatio-temporal control over their effects.
In this project we propose to study the functional role of GABAergic mechanisms in the thalamus in vivo by activating/inactivating their individual components in a spatially and temporally coordinated manner. The control of individual receptor types and afferent systems will be achieved by optogenetic and pharmacogenetic tools. We will identify the role of phasic inhibition in rhythmic brain oscillations, compare reticular vs. extrareticular inhibition and examine the effect of modulating GABAergic mechanisms in individual thalamic nuclei with distinct cortical input and output patterns.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our main research question is how individual GABAergic mechanisms in the thalamus contribute to global thalamocortical activity in distinct behavioral states. We plan three subprojects:
1) The role of phasic (i.e synaptic) inhibition will be studied by selectively interfering with the gamma2 subunit of the GABA-A receptors via viral mediated gene transfer.
Questions:
a) Are the firing properties of thalamocortical cells altered by the removal/enhancement of phasic inhibition?
b) Are thalamocortical oscillations (the slow delta and the faster spindle waves) affected?
c) Does altering GABA-A receptors in different thalamic nuclei result in distinct changes of cortical activity?
2) The role of extrareticular GABAergic inhibition will be studied in a recently discovered inhibitory system of the brainstem which selectively targets the intralaminar thalamic nuclei known to be involved in cognitive processes and consciousness. We will activate/inactivate the pathway by optogenetic methods.
Questions:
a) What are the behavioral consequences of selective activation/inactivation of brainstem inhibitory afferents in the thalamus in distinct arousal states (awake, slow wave sleep, REM)?
b) How network activity is altered in individual components of the thalamocortical network (thalamus, cortex, striatum)?
3) The role of the reticular GABAergic system will be studied also by optogenetic methods. Earlier studies demonstrated that photoactivation of nRT induces sleep spindles.
Questions:
a) Is thalamic network activity similar during light activated and spontaneous spindles?
b) Does spindle genesis have any nucleus specificity?
c) Is spindle genesis plastic?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Thalamus is indispensible for normal cortical activity. It is known to be involved in sensory information processing, higher order cognitive control, sleep oscillation and many common neurological diseases (including Parkinson’s disease, epilepsy, chronic pain, schizophrenia etc.). GABAergic control is indispensible for all of these functions and aberrant GABAergic function leads to pathological oscillations. However, thalamus is a heterogeneous structure, which consists of distinct nuclei. Different nuclear groups are known to project to different cortical layers and territories. Furthermore, recent data suggest that thalamic nuclei differ also in the basic principles of their input organization. As a consequence, the key to understand thalamic function is region specific intervention to thalamic circuits. Classical pharmacological and physiological interventions do not have enough specificity to control one receptor type or one nucleus. E.g. selective antagonists for phasic and tonic inhibition are not available. Furthermore, the exact spatial extent of drug action cannot be determined and precise timing cannot be achieved with these approaches. In present project we propose to use pharmacogenetic and optogenetic tools to achieve selectivity in molecules, space and time.
The use of viral mediated gene transfer allows the removal/exchange of a single gene in the adult animals, which minimize the effect of compensatory processes (the classical problem of KO animals). The position and spatial extent of the intervention can be controlled by stereotactic injections. The molecular modification (virus infection) and the nuclear identity of the recorded cells can be determined by post hoc immunochemical methods. Optogenetics also allow good spatial control with additional advantage of high temporal precision. Nucleus specific GABAergic inputs permit optogenetic control over a single nucleus without affecting other systems.
Our present proposal is a first attempt to control GABAergic mechanisms in a nucleus specific manner and to examine its effect on the thalamocortical system. This approach opens up a novel way to understand the role of individual thalamic nuclei in normal and pathological activity.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
All higher order brain functions including perception, cognition, learning and complex emotions critically depend on the cerebral cortex. Cortex, however, cannot perform its tasks alone. Every single part of the cortex is bidirectionaly linked to another brain structure called thalamus. No information can reach the cortex without going through the thalamus and all information is processed via complex interactions between the two structures. Communication between the thalamus and cortex is achieved by a delicate balance between excitatory and inhibitory activity. In several major neurological diseases the symptoms are the results of an uncontrolled, aberrant inhibition in the thalamus. E.g. in epilepsy and central pain, inhibition is decreased, in Parkinson’s disease the timing of inhibitory activity is altered. Depending on the disease, these malfunctions arise in distinct parts of the thalamus since thalamus consists of different nuclei all of which has its own logic of information transfer. In order to understand inhibition in the thalamus, one has to gain control over well defined inhibitory processes. In the present proposal we aim to study thalamus via interfering with inhibition in a precisely localized manner. We will use the most modern molecular and electrophysiological techniques, including the removal of single proteins, activating single pathways by light and recording many neurons at the same time.
Our results can show how individual components of the system can contribute to global thalamocortical activity and will help to understand what may be the function of different nuclei in normal states and in the generation of aberrant activity.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
