Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
90 %
Ortelius classification: Neurobiology
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Laboratory of Cerebral Cortex Research (Institute of Experimental Medicine)
Participants
Domonkos, Andor Káli, Szabolcs Kohus, Zsolt Lopez, Diego Schlingloff, Dániel
Starting date
2015-11-01
Closing date
2020-10-31
Funding (in million HUF)
43.819
FTE (full time equivalent)
11.66
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Egér hippokampusz CA3 területén vizsgáljuk több száz idegsejt aktivitását képalkotó eljárással in vitro és in vivo head restrained rendszerekben. Serkentő és különböző gátlósejt típusokat fertőzünk AAV vírussal mely genetikusan kódolt kalcium szint érzékelő fehérjék kifejeződését indukálja. Összehasonlítjuk, egyrészt hogy a sejtek aktivitásának dinamikája és mintázata miben tér el különböző aktivitási állapotok (éles hullám vs. gamma oszcilláció) alatt. Míg az in vitro rendszerbe pontosan tudjuk kontrollálni a rendszer dinamikáját és optogenetikai módszerekkel finoman perturbálni a rendszer viselkedését, az in vivo rendszerben vizsgálhatjuk az állat magatartási állapotaira jellemző mintázatokat. Vizsgálatainkat a kollaborációban részt vevő laboratórium szabadon mozgó állatokban végzett multielektródás sejtaktivitás mérései egészítik ki. A nagymennyiségű adatot komplex, fizikából, matematikából és informatikából átvett módszerekkel tervezzük analizálni. Korábban épített hippokampusz CA3 terület neuronhálózati modelljeinkkel is összevetjük a kapott eredményeket és megvizsgáljuk a biológiai rendszerben alkalmazott perturbációk hatását modell viselkedésére.
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. Az agymüködés megértéséhez két problémát kell körüljárni a Kódolás és a Stabilitás problémáját. A pályázatban mindkettőt vizsgáni kívánjuk azáltal, hogy a hippokampuszban többszáz idegsejt aktivitását kívánjuk képalkotó módszerekkel finom időfelbontásban vizsgáni eltérő agyi állapotokat jellemző aktivitási mintázatok alatt. Összehasonlítjuk a populációs aktivitás evolúcióját különböző állapotok alatt: miben tér el a kódolás és a dinamika? Megközelítésünkben komplementer in vitro és in vivo módszereket kívánunk alkalmazni. Az eméletek szerint a serkentő sejtek aktivitásmintázata reprezentálja az információt, ezért az adatok elemzésénél fókuszáni fogunk arra, hogy a serkentő sejtek aktivitása milyen szabályok szerint változik és hat kölcsön. A gátlósejt aktivitás elemzésével megérthetjük a Stabilitás kérdését, a különböző állapotokban mely gátlósejt csoportok hogyan szólnak bele az aktivitás szabályozásába.
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 kutatás szigorúan alapkutatás, célja megérteni hogyan alakul ki az idegrendszeri aktivitás a résztvevő idegsejtek kölcsönhatásából. Célzottan azt vizsgáljuk hogyan a serkentő idegsejtek aktivitásmintázatának mik a tulajdonságai, milyen szabályok szerint alakulnak és hatnak kölcsön a mintázatok. Vizsgálataink eredményeképpen megérthetjük, hogy az egyedi idegsejtek aktivitásának kölcsönhatása hogyan vezethet az idegrendszerben fogalmak reprezentációjához és magasabb szintű gondolkodási műveletek implementációjához, segíthet megérteni az agy nyelvét, szintaxisát, jelkészletét. A kódolás melett azonban a stabilitást is vizsgáljuk. Megérthetjük, hogy az eltérő egészséges (SWR és gamma oszcilláció) és patológiás (epileptikus) állapotok között mi a különbség és ezáltal, hogy mi romlik el a rendszerben. A gátlósejtcsoportok vizsgálata esélyt ad arra, hogy azonosítsuk a patológiás elváltozásokban kulcsszerepet játszó alcsoportokat és mivel a sejtek szelektíven fejeznek ki receptorokat javaslatokat tehessünk működésük szelektív farmakológiai befolyásolására.
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. Az agyműködést két irányból lehet megérteni. A pszichológusok a viselkedés vizsgálatából következtetnek arra hogy az agy hogyan képezi le és dolgozza fel az információt. A neurobiológusok az idegsejtek aktivitását vizsgálva próbálják ugyanezeket a kérdéseket megérteni. A mérési módszerek hatalmas fejlődésének köszönhetően a két irányból közeledő megértés térbeli és időbeli feloldása hamarosan összeér, mégpedig annál a szintnél hogy nagyon sok idegsejt kölcsönhatásából hogyan alakulnak ki azok az agyi mintázatok amelyek a gondolkodás alpjául szolgálnak. Azaz a modern számítógépes agyi képalkotó eljárások (fMRI) felbontása hamarosan eléri a neurobiológusok által jelenleg vizsgálható nagy sejtpopulációk méretét. A pályázatban több száz idegsejt aktivitását kívánjuk mérni különböző viselkedési állapotokban megfigyelhető agyi mintázatok alatt és felderíteni, hogy milyen szabályok írják le az idegsejtmintázatok kölcsönhatásait, mi az agy nyelvének nyelvtana és szókészlete. A vizsgálatokból arra is választ kaphatunk, hogy mi különbözteti meg egymástól az egészséges és epilepsziás idegsejtműködést, milyen pontokon romlik el a rendszer kóros esetben.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. We will study the activity pattern of hundreds of neurons within the mouse hippocampus CA3 area in vitro and in in vivo head restrained animals using optical imaging. Excitatory and differrent types of inhibitory neurons will be virally transfected with genetically encoded calium sensitive dyes. We compare the dynamics and activity patterns during different behaviour associated activity states (sharp-waves, gamma oscillation). Whil in vitro we can precisely control the dynamics of the system and perturb it using optogenetic methods, in the in vitro system we can study the activity during behavior. Our experiments will be complemented with data on freely moving animals from the collaborating laboratory. The large amount of data will be analyzed using methods borrowed from physics, mathematics and information technology. We will match our results against our fromerly built neuronal network model of the CA3 hippocampal network, and will study the effect of perturbations (similar to appplied in the biological system) on the model.
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. To understand how the brain works we have to address the problems of Coding and Stability. We plan to study both of them, by measuring the activity of hundreds of hippocampal neurons using imaging methods during different brain states characterized by distinct EEG patterns. We will compare the evolution of activitz in different states: what is the difference in coding and dynamics? We will use complementary in vitro and in vivo approaches. Theoratical works suggest that the activity pattern of excitatory neuron population represents information. Therefore the analysis will focus on the structure of neuronal population patterns and the rules of their interactions. Analysisng the activity of inhibitory neurons we can address the question of Stability : how do different subsets of inhibitory neurons control activity during different states.
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. The research is strictly basic research. Our intention is to understand how do network activity emerges from the interaction of different types of neurons. We will focus on the activity pattern of excitatory neurons, what are the rules of activity evolution and how patterns interact. Our results might help to explain how the interaction of neuronal patterns can underly the representation of concepts and their interactions, and how higher order epresentations can be formed in the nervous system. Besides Coding we will also examine Stability. We can understand what is the differenece among helathy (SWRs and gamma oscillations) and pathological forms (epileptic) activity, and what goes wrong in the pathological case. Studying different types of inhibitory neurons allows us to identify crucial players in pathologic transformations. Since inhibitory cells selectively express many receptor types, we can suggest potential pharmacological targets for therapies.
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. The question "How the brain works?" can be attacked from two directions. Psychologists, psychophysiologists are studying behavior in order to understand how the brain breaks down, representes and processes information (top-down). Neurobiologists study the activity and interactions of neuron populations to answer the same questions (bottom-up). Due to the tremendous advance in detection methods and computer capacity the spatial and temporal resolution of the two approaches soon meets. The resolution of modern computerized brain imaging methods, such as fMRI will soon detect the activity of large neuronal populations studied by neurobiologists. We can soon explain how the interactions of neuronal patterns can underlie brain activity pattern manipulations that serve as basic cognitive processes. In the proposal we want to measure the activity of hundreds of neurons during different brain states and reveal the rules of neuronal pattern interactions. This way we can understand the language of the brain, its syntax and semantics. The study will also help us to grab the difference between healthy and pathological neuronal activity and what goes wrong when the system gets pathologic.
Final report
Results in Hungarian
Négy új neurokémiailag egyedi kéreg alatti terület illetve pálya leírásában vettünk részt kollaborációk keretében. A sok módszert felvonultató megközelítéshez (anatómia, in vivo vizsgálatok, viselkedés vizsgálat) csoportunk in vitro vizsgálatokkal járult hozzá, melyek a sejtcsoportok tulajdonságait és a jelátvitel sajátosságait tisztázták. A következőket találtuk: 1) A mediális raphe terület egyik sejtcsoportja fontos a negatív tapasztalatokkal kapcsolatos epizódikus memórianyomok kialakításában. 2) a nucleus incertus GABA tartalmú idegsejtjei (melyek a környezet fontos eseményeiről szállítanak infomációt) specifikusan gátolnak egy hippokampális gátlósejt csoportot, ezáltal részt vesznek a fontos eseményekkel kapcsolatos memórianyomok tárolásában. 3) két bazális előagyi cholinerg sejtcsoport azonosítható, melyek a viselkedés eltérő fázisaiban aktiválódnak. 4) bazális előagyi cholinerg végződések GABAt is tartalmaznak a hippokampuszban. A terminálisokban található cholinerg és GABAerg vezikulák külön-külön szabadulnak fel szinaptikus úton, és összetett szinaptikus potenciálokat váltanak ki. A GABAerg komponens egymagában képes gátolni a hippokampéis éles-hullámokat, valamint az epileptikus aktivitást.
Results in English
Using anatomical method our collaborators revealed new neurochemically specific subcortical centers and pathways. Then a collaborative work, using in vitro and in vivo electrophysiology combined with optogenetics and behavioral experiments, revealed the functional significance of these elements. We contributed to these results by characterizing neuronal properties and revealing the transmission features of these elements using in vitro electrophysiology. It was shown that: 1) the median raphe region harbors a cell population that activate aversion- and negative prediction–related brain areas and initiate immediate acquisition of episodic memories of the negative experience. 2) nucleus incertus GABAergic neurons (that receive salient environmental information) selectively inhibit a hippocampal interneuron population. The pathway might be important in fine-tuning memory-acquisition, based on the relevance of environmental inputs. 3) two distinct types of basal forebrain cholinergic neurons exist, that differ in their properties and behavioral correlates. 4) cholinergic terminals of basal forebrain origin establish GABAergic synapses in the hippocampus, and their cholinergic vesicles dock at those synapses only. These synapses co- transmit GABA and acetylcholine via different vesicles and evoke composite postsynaptic potentials. The GABAergic component alone effectively suppresses hippocampal sharp wave-ripples and epileptiform activity.
Szonyi Andras, Sos Katalin E., Nyilas Rita, Schlingloff Daniel, Domonkos Andor, Takacs Virag T., Posfai Balazs, Hegedus Panna, Priestley James B., Gundlach Andrew L., Gulyas Attila I., Varga Viktor, Losonczy Attila, Freund Tamas F., Nyiri Gabor: Brainstem nucleus incertus controls contextual memory formation, SCIENCE 364: (6442) pp. 752-+., 2019
Szőnyi András, Zichó Krisztián, Albert M. Barth, Roland T. Gönczi, Dániel Schlingloff, Bibiána Török, Eszter Sipos, Abel Major, Zsuzsanna Bardóczi, Katalin E. Sos, Attila I. Gulyás, Viktor Varga, Dóra Zelena, Tamás F. Freund, Nyiri Gabor: Median raphe controls acquisition of negative experience in the mouse, SCIENCE, 2019
