 |
Investigation of cortical synchronous population activity in patients with epilepsy or tumour.
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
119443 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Wittner, Lucia |
| Title in Hungarian |
Agykérgi szinkron populációs aktivitás vizsgálata epilepsziás és nem epilepsziás tumoros betegekben. |
| Title in English |
Investigation of cortical synchronous population activity in patients with epilepsy or tumour. |
| Keywords in Hungarian |
neocortex, humán, idegsejt, oszcilláció, idegi hálózat |
| Keywords in English |
neocortex, human, neuron, oscillation, neural network |
| Discipline |
| Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Neuroimaging and computational neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Institute of Cognitive Neuroscience and Psychology (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Hofer, Katharina
Kandrács, Ágnes
Meszéna, Domokos
Pál, Ildikó
Tóth, Kinga
Ulbert, István
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2021-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
47.680 |
| FTE (full time equivalent) |
8.69 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az epilepsziás megbetegedések összefüggésbe hozhatók a túlzott idegi szinkronitással, amelynek eredménye a rohamok, és a rohamok közötti interiktális aktivitás. Kimutatták, hogy interiktálishoz hasonló aktivitás keletkezik spontán módon az emberi nagyagykéregben, in vitro körülmények között. Epilepsziás és nem epilepsziás (tumoros) betegek agyából műtétileg eltávolított szövet szeletpreparátumaiban spontán jelentkező szinkron populációs aktivitás sejtes és hálózati tulajdonságait tárjuk fel. Egyidejű intra- és sokcsatornás extracelluláris elvezetésekkel, valamint két-foton mikroszkópiás megközelítéssel írjuk le a különböző serkentő és gátló sejttípusok viselkedését és szerepét a populációs események során. Továbbá, összehasonlítjuk az in vitro körülmények között keletkező szinkron aktivitást az epilepsziás páciensekből intrakortikálisan elvezethető interiktális tüskékkel. Két-foton mikroszkópiás kísérletekkel és korrelált fény- és elektron mikroszkópos vizsgálatokkal tárjuk fel a szinkronizációs mechanizmusok azon változásait, amelyek közvetlen összefüggésben állhatnak az epilepsziás rohamaktivitással. Reméljük, hogy eredményeink kimutatják az emberi agykérgi serkentő és gátló idegi hálózatokban epilepszia hatására létrejövő változásokat, és azok szerepét a szinkron populációs aktivitás, illetve interiktális tüskék keletkezésében és/vagy fenntartásában. Valamint reméljük, hogy eredményeink rávilágítanak a fiziológiás és patológiás szinkron aktivitások közötti különbségekre. Jelen integratív projekt – amelyben kombináljuk az elektrofiziológiát, a kálcium képalkotást és az anatómiát – várható eredményei új irányvonalakat jelölhetnek ki az epilepsziakutatásban.
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 epilepszia az egyik leggyakoribb neurológiai megbetegedés, amelyet az idegi hálózatok túlzott aktivitásával hoznak összefüggésbe. Különösen jellemző az epilepsziás agykéregnek az a tulajdonsága, hogy képes paroxizmális aktivitást, azaz rohamokat és interiktális tüskéket generálni. A paroxizmális eseményeket az epilepszia ismertetőjelének tartják, és általában az idegi hálózatok széleskörű aktivitásával és túlzott szinkronitásával jellemezhetők. Interiktális aktivitás spontán jelentkezik az emberi agykéregből készített szeletpreparátumban. Ez kitűnő lehetőséget nyújt arra, hogy az idegi mikrohálózatok sejtes és hálózati tulajdonságait vizsgáljuk, valamint hogy feltárjuk a serkentő és gátló folyamatok szerepét a túlzott szinkronitás kialakításában. Ugyanakkor kétségbe vonható az in vitro körülmények között jelentkező aktivitás epileptogenitása. A kísérleteink rávilágíthatnak ezen szinkron események fiziológiás vagy patológiás voltára azáltal, hogy feltárjuk az epilepsziás páciensek nagyagykérgéből elvezetett interiktális tüskékkel való hasonlóságaikat és különbözőségeiket. A szinkron események összehasonlítása epilepsziás és nem epilepsziás (tumoros) páciensek agyából származó mintán pedig arra enged következtetést levonni, hogy mely sejtes tulajdonságok és szinkronizációs mechanizmusok hozhatók összefüggésbe az epilepsziával. Az általunk újonnan kifejlesztett egyidejű intra-, lineáris sokcsatornás extracelluláris elvezetés két-foton kálcium-képalkotással együtt segíthet feltárni, hogy az egyes kérgi oszlopokba beágyazott komplex idegi mikrohálózatok hogyan vesznek részt a nagyagykérgi szinkron mintázatok létrehozásában.
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!
Jelentős erőfeszítéseket tett a kutatói társadalom az elmúlt évek során annak érdekében, hogy ez epilepsziás szinkronitás mechanizmusait feltárja. Állatmodelleket hoztak létre, hogy az epilepszia kialakulását, és az epilepsziás rohamok okozta patológiás károkat vizsgálják. Az epileptiform aktivitás sejtes és hálózati tulajdonságait is feltérképezték in vitro körülmények között. Ugyanakkor az emberi agyszövet tanulmányozása nélkülözhetetlen, lévén, hogy az emberi patológia néhány alapvető szempontban különbözik az állatmodellektől. Az emberi szövetből származó eredmények összevetése és alapos összehasonlítása állatmodellekből származó adatokkal elengedhetetlen ahhoz, hogy új, még valószerűbb in vivo és in vitro epilepsziamodelleket fejlesszünk ki. Ebben a pályázatban azt tűztük ki célul, hogy feltárjuk a szinkron populációs aktivitás sejtes és hálózati tulajdonságait elektrofiziológiai, két-foton képalkotási és anatómiai módszerek vegyítésével, epilepsziás és nem epilepsziás páciensekből származó agyszöveten. A várható eredmények reményeink szerint feltárják, hogy hol húzódik meg az a finom határvonal, amely a fiziológiás aktivitást a patológiástól elválasztja. Az epilepsziás megbetegedések komoly egészségügyi problémát jelentenek az európai lakosság kb. 2%-ának. Mivel a rohamok előrejelzése egyelőre nem lehetséges, ezek a szindrómák különösen aggasztóak a páciensek, családtagjaik és barátaik számára. A rohamok megjósolhatatlansága az európai munkapiacra, üzleti versenyképességre és egészségügyi költségekre is jelentős hatással bír. Az általunk javasolt kutatás előremozdíthatja az epilepsziával összefüggő idegi fiziológiai és morfológiai változások megértését, valamint azt, hogy a szinaptikus kapcsolatok hogyan változnak, és mi a szerepük az epilepsziás aktivitás kialakításában. Reméljük, hogy munkánk eredményeképp közelebb kerülünk az epilepsziás mechanizmusok mélyebb megértéséhez, és ezen keresztül új gyógyítási célpontok azonosításához, amely új terápiás megközelítések kifejlesztéséhez vezethet.
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.
Jelen pályázat az epilepsziás és nem epilepsziás (tumoros) páciensek agyából eltávolított nagyagykérgi szövetben spontán jelentkező szinkron idegi aktivitás sejtes és hálózati tulajdonságainak leírását célozza. Szeretnénk párhuzamot vonni ezen események és az epilepsziás páciensek agykérgéből elvezetett interiktális tüskék között. Jelen pályázat várható eredményei elmélyítik a tudásunkat az idegi szinkronizációról, az idegsejtek és hálózatok összeköttetéseiről az emberi agyban, illetve hogy rávilágítanak a fiziológiás és patológiás jelenségek közötti finom határvonalra. Továbbá jelen munka az emberi epilepszia mélyebb megértését is lehetővé teszi. A serkentő és gátló idegi hálózatok pontos szerepének feltárása az oszcillációs folyamatokban és ez epilepsziás szinkronizációban elősegítheti új gyógyszerkutatási célpontok megtalálását is. A jövőbeli stratégiák, amelyek figyelembe veszik a az epilepszia okozta fiziológiai, anatómiai változásokat az idegsejtekben, valamint a nagyagykéreg mikrohálózataiban, az epilepszia szindrómák új terápiás megközelítését is lehetővé teszik. A humán kutatásokat is tekintetbe vevő terápiás stratégiák új, hatékonyabb megoldásokat találhatnak az epilepsziás rohamok megelőzésére, és/vagy az epilepszia okozta károk enyhítésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Epilepsies are thought to be associated with neuronal hypersynchrony, resulting in the generation and maintenance of interictal activity and seizures. In vitro interictal-like activity has been shown to be spontaneously generated in the human neocortex. We aim to reveal cellular and network properties of spontaneous synchronous population activities emerging in surgically resected cortical tissue slices derived from epileptic patients and from tumour patients without epilepsy. We plan to uncover the behaviour and role of different excitatory and inhibitory cell types in the generation and maintenance of population events using simultaneous intra- and multiple extracellular electrophysiological recordings, and two-photon imaging. Furthermore, we intend to compare in vitro emerging synchronous activity to interictal spikes recorded intracortically in epileptic patients. We aim reveal the changes in the synchronisation mechanisms of neuronal microcircuits which might be causally related to seizure activity, using two photon imaging and correlated light- and electron microscopy. We expect our results to clarify the changes in excitatory and inhibitory neuronal networks in the epileptic human tissue, and their role in the generation and/or maintenance of synchronous population events and interictal spikes, as well as to elucidate subtle differences between normal and epileptic activities. The proposed integrative study combining electrophysiology, calcium imaging and anatomy could shed light on new guiding principles in epilepsy research.
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.
Epilepsy is one of the most common neurological disorders in humans, and it is thought to be related to hyperactivity of neuronal circuits. Particularly remarkable characteristic of epileptic cortices is their capacity to generate paroxysmal activity: seizures and interictal spikes. Paroxysmal events are considered as hallmarks for epilepsy, and are commonly characterized by the hypersynchronous and wide spread activation of neuronal circuits. Interictal-like activity has been shown to be spontaneously generated in human neocortical slice preparations. It provides us an excellent opportunity to describe the cellular and network characteristics of neuronal microcircuits and to discover the role of excitatory and inhibitory circuits in the generation of hypersynchronous events. However, the epileptigenecity of in vitro interictal-like activity has been questioned. Our experiments will elucidate the physiological or pathological nature of in vitro occurring synchronous bursts by correlating it to intracortically detected interictal spikes in epileptic patients. Comparing synchronous events generated in slices derived from epileptic and non-epileptic tumour patients could help us to understand cellular characteristics and synchronisation mechanisms related to epilepsy. Our newly developed technique of linear multiple channel electrophysiology combined with intracellular recordings and two photon microscopy will uncover how the complex neuronal microcircuits embedded in the cortical columns participate in the generation of neocortical synchronies.
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.
Substantial efforts have been made over the years to explore mechanisms of epileptic synchrony. Animal models have been developed to study epileptogenesis and the pathological consequences of epileptic seizures. Cellular and network properties of epileptiform activity have been examined in vitro. However, access to human tissue is especially important since the human pathology differs from animal models in several crucial respects. Comparisons and correlations of data obtained from human tissue and animal models may perhaps permit the development of more realistic in vivo and in vitro models. We propose to explore the mechanisms of synchronous population activity using in vitro cellular and network electrophysiology, two photon microscopy and anatomical analysis in epileptic and non-epileptic human tissue. The results of this work should clarify aspects of the subtle border between physiological (non-epileptic), and pathological (epileptic) activities and processes. The epilepsies are a serious health problem affecting about 2% of European citizens during their lifetime. The unexpected timing of a seizure renders this group of syndromes particularly distressing for patients and their family and friends. This unpredictability of seizure occurrence has also profound consequences on European employment, business competitivity and in health care costs. Our proposed work may permit a better understanding of the changes in neuronal physiology and morphology and how synaptic connections are reorganised in human epileptic tissue. We hope to identify novel targets from a deeper understanding of the mechanisms involved in epilepsy and in this way lead towards the development of new therapeutic approaches to epileptic disorders.
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 proposed project would like to explore the cellular and network properties of synchronous neuronal activity spontaneously emerging in human epileptic and non-epileptic neocortical brain tissue, in vitro. We aim to draw a parallel between these events and epileptic interictal spikes recorded in the neocortex of epileptic patients. The expected results of this project will enhance our knowledge about neuronal synchronisation and connectivity in the human brain, and may shed light on the subtle border between physiological and pathological processes. Furthermore, the work proposed here may permit a better understanding of human epilepsy. The exact role of excitatory and inhibitory neuronal circuits in the generation of oscillatory activities and epileptic synchronies might help to find new targets for drug research. Future strategies based on knowledge of mechanisms underlying changes in the physiology, morphology of neurons and in the oscillatory mechanisms generated by neocortical microcircuits due to epileptic injury might result in the development of new medications in epilepsy. Upcoming therapeutic strategies considering current human research highlights could eventuate in the development of new, more efficient approaches to prevent epileptic seizures and/or to treat the epilepsy caused damage.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Hofer KT, Kanrács Á, Tóth K, Hajnal B, Bokodi V, Tóth EZ, Erőss L, Bagó AG, Entz L, Fabó D, Ulbert I, Wittner L: Bursting of excitatory cells is linked to interictal epileptic discharge generation in humans., Scientific Reports (accepted), 2022 | | Tóth Estilla Zsófia, Szabó Felicia Gyöngyvér, Kandrács Ágnes, Molnár Noémi Orsolya, Nagy Gábor, Bagó Attila G., Erőss Loránd, Fabó Dániel, Hajnal Boglárka, Rácz Bence, Wittner Lucia, Ulbert István, Tóth Kinga: Perisomatic Inhibition and Its Relation to Epilepsy and to Synchrony Generation in the Human Neocortex, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 23: (1) 202, 2022 | | Tóth E., Bokodi V., Somogyvári Z., Maglóczky Z., Wittner L., Ulbert I., Erőss L., Fabó D.: Laminar distribution of electrically evoked hippocampal short latency ripple activity highlights the importance of the subiculum in vivo in human epilepsy, an intraoperative study, EPILEPSY RESEARCH 169: 106509, 2021 | | Ujma Péter P., Hajnal Boglárka, Bódizs Róbert, Gombos Ferenc, Erőss Loránd, Wittner Lucia, Halgren Eric, Cash Sydney, Ulbert István, Fabó Dániel: The laminar profile of sleep spindles in humans, NEUROIMAGE 226: 117587, 2021 | | Kandrács Á.: Spontaneously occurring and disinhibition-induced synchronous activities in the human neocortex, in vitro., PPKI ITK Doctoral school, 2019 | | Ágnes Kandrács, Katharina T. Hofer, Kinga Tóth, Estilla Z. Tóth, László Entz, Attila G. Bagó, Loránd Erőss, Zsófia Jordán, Gábor Nagy, Dániel Fabó, István Ulbert, Lucia Wittner: Presence of synchrony-generating hubs in the human epileptic neocortex, JOURNAL OF PHYSIOLOGY-LONDON 597: (23) pp. 5639-5670., 2019 | | Halgren Milan, Ulbert István, Bastuji Hélène, Fabó Dániel, Erőss Lorand, Rey Marc, Devinsky Orrin, Doyle Werner K., Mak-McCully Rachel, Halgren Eric, Wittner Lucia, Chauvel Patrick, Heit Gary, Eskandar Emad, Mandell Arnold, Cash Sydney S.: The generation and propagation of the human alpha rhythm, PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA 116: (47) pp. 23772-23782., 2019 | | Toth K, Hofer KT, Kandracs A, Entz L, Bago A, Eross L, Jordan Z, Nagy G, Solyom A, Fabo D, Ulbert I, Wittner L: Hyperexcitability of the network contributes to synchronization processes in the human epileptic neocortex., JOURNAL OF PHYSIOLOGY-LONDON 596: (2) pp. 317-342., 2018 | | Wittner Lucia, Maglóczky Zsófia: Synaptic Reorganization of the Perisomatic Inhibitory Network in Hippocampi of Temporal Lobe Epileptic Patients, BIOMED RESEARCH INTERNATIONAL 2017: 7154295, 2017 | | Hagler DJ, Ulbert I, Wittner L, Eross L, Madsen JR, Devinsky O, Doyle W, Fabo D, Cash SS, Halgren E: Heterogeneous origins of human sleep spindles in different cortical layers., JOURNAL OF NEUROSCIENCE 38: (12) pp. 3013-3025., 2018 | | Toth K, Hofer KT, Kandracs A, Entz L, Bago A, Eross L, Jordan Z, Nagy G, Solyom A, Fabo D, Ulbert I, Wittner L: Hyperexcitability of the network contributes to synchronization processes in the human epileptic neocortex., JOURNAL OF PHYSIOLOGY-LONDON 596: (2) pp. 317-342., 2018 | | Perczel Gy, Erőss L, Fabó D, Gerencsér L, Hajnal B, Szabó Cs, Vágó Zs, Wittner L: Epilepsziás agyi hálózatok egysejt-aktivitásának jellemzése Hawkes-folyamatok segítségével, ALKALMAZOTT MATEMATIKAI LAPOK 36: (2) pp. 213-224., 2019 | | Kandrács Á, Hofer KT, Tóth K, Tóth EZ, Entz L, Bagó AG, Erőss L, Jordán Z, Nagy G, Fabó D, Ulbert I, Wittner L.: Presence of synchrony-generating hubs in the human epileptic neocortex., J Physiol. 2019 Sep 15. doi: 10.1113/JP278499. [Epub ahead of print], 2019 | | Halgren M, Ulbert I, Bastuji H, Fabó D, Erőss L, Rey M, Devinsky O, Doyle WK, Mak-McCully R, Halgren E, Wittner L, Chauvel P, Heit G, Eskandar E, Mandell A, Cash SS: The generation and propagation of the human alpha rhythm, accepted at PNAS, 2019 | | Ágnes Kandrács, Katharina T. Hofer, Kinga Tóth, Estilla Z. Tóth, László Entz, Attila G. Bagó, Loránd Erőss, Zsófia Jordán, Gábor Nagy, Dániel Fabó, István Ulbert, Lucia Wittner: Presence of synchrony-generating hubs in the human epileptic neocortex, JOURNAL OF PHYSIOLOGY-LONDON 597: (23) pp. 5639-5670., 2019 | | Halgren Milan, Ulbert István, Bastuji Hélène, Fabó Dániel, Erőss Lorand, Rey Marc, Devinsky Orrin, Doyle Werner K., Mak-McCully Rachel, Halgren Eric, Wittner Lucia, Chauvel Patrick, Heit Gary, Eskandar Emad, Mandell Arnold, Cash Sydney S.: The generation and propagation of the human alpha rhythm, PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA 116: (47) pp. 23772-23782., 2019 | | Hagler DJ Jr, Ulbert I, Wittner L, Erőss L, Madsen JR, Devinsky O, Doyle W, Fabó D, Cash SS, Halgren E.: Heterogeneous Origins of Human Sleep Spindles in Different Cortical Layers., J Neurosci. 2018 Mar 21;38(12):3013-3025., 2018 | | Tóth K, Hofer KT, Kandrács Á, Entz L, Bagó A, Erőss L, Jordán Z, Nagy G, Sólyom A, Fabó D, Ulbert I and Wittner L: Hyperexcitability of the network contributes to synchronization processes in the human epileptic neocortex., J Physiol (London) 2018 Jan 15;596(2):317-342., 2018 | | Wittner L and Maglóczky Z: Synaptic Reorganization of the Perisomatic Inhibitory Network in Hippocampi of Temporal Lobe Epileptic Patients., BioMed Research International Volume 2017, Article ID 7154295, 2017 | | Hofer KT: Investigation of cortical synchronous activity of neuronal populations, in vitro., PPKE ITK Doctoral school, 2017 | | Lucia Wittner, Zsófia Maglóczky: Synaptic Reorganization of the Perisomatic Inhibitory Network in Hippocampi of Temporal Lobe Epileptic Patients, BIOMED RES INT 2017: , 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
