A kérgi visszacsatolás szerepe a talamokortikális aktivitásban
Title in English
Role of cortical feedback in thalamocortical activity
Keywords in Hungarian
talamusz, agykéreg, oszcilláció
Keywords in English
thalamus, neocortex, oscillation
Discipline
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Institute of Cognitive Neuroscience and Psychology (Research Center of Natural Sciences)
Participants
Borbély, Sándor Csernai, Márton
Starting date
2016-12-01
Closing date
2021-11-30
Funding (in million HUF)
47.504
FTE (full time equivalent)
5.93
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A talamusz az agykéreg fő bemenete, de a kéreg maga is küld egy masszív visszacsatolást a talamuszba. Ez a topografikus, glutamáterg projekció a 6. rétegből ered, monoszinaptikus serkentést, és diszinaptikus gátlást ad a talamusz sejtjeire, szerepe a mai napig bizonytalan. Jelen projektben 6. réteg specifikus transzgenikus állatokban, optogenetikai- és soksejt elvezetéses módszerek kombinálásával kutatjuk e rendszer működését. Megvizsgáljuk, hogy a 6. rétegi aktiváció nettó serkentést vagy gátlást okoz a talamikus sejteken, ez hogyan változik az alvás / ébrenlét különböző fázisaiban, valamint a primer- és a magasabbrendű talamikus magokban. Szintén megvizsgáljuk a kortikotalamikus pálya hatását a különböző alvási oszcillációk keletkezésére, illetve megszűnésére.
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. A talamokortikális rendszer három fő komponensből áll: a talamikus relésejtekből, melyek az agykéreg fő bemenetét alkotják, a retikuláris magból (nRT), mely gátló visszacsatolást ad a relésejtekre, és a kéreg 6. rétegéből érkező kortikotalamikus (CT) visszacsatolásból. Ez a pálya masszív, glutamáterg bemenetet képez mind a relé, mind a nRT sejtekre, de in vivo működése és funkciója nagyrészt tisztázatlan. Feltételezik szerepét a receptív mezők figyelemfüggő módosításában, alvási oszcillációk beindításában és megszüntetésében, Sherman és Guillery elmélete szerint pedig a CT pálya a klasszikus modulátorokhoz hasonló hatást fejt ki a talamuszban. Jelen pályázatban az alábbi kérdésekre keressük a választ: - Mi a kortikotalamikus visszacsatolás nettó hatása a talamikus sejtekre? A közvetlen serkentés, vagy a közvetett (retikuláris magon keresztüli) gátlás dominál? - Hogy változik ez a hatás különböző éberségi állapotokban (az érintett sejtek tonikus / burst üzemmódjától függően)? Lehetséges-e, hogy a CT pálya pl. ébrenlétben gátol, alvásban serkent, mint az előzetes eredmények sejtetik? - Van-e különbség a CT pálya működésében primer- és magasabbrendű talamikus magokban? - Mi a CT pálya aktivációjának / inaktivációjának hatása az alvási oszcillációkra?
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 talamokortikális rendszer felelős az alvási oszcillációk generálásért, kóros működése pedig neurológiai betegségekhez, többek között absence epilepsziához vezethet. A kérgi visszacsatolás szerepe e rendszer fiziológiás működésében elengedhetetlen, működésének ismerete elősegítheti a talamikus eredetű neurológiai kórképek terápiáját.
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. Magasabbrendű szellemi funkcióink székhelye az agykéreg, gyakorlatilag minden bemenő információját egy kéreg alatti struktúrán, a talamuszon keresztül kapja. A talamusz több, mint átkapcsoló állomás, míg ébrenlét alatt továbbítja a bemenő információt a kéreg felé, alvás alatt ehelyett ritmikus aktivitásmintázatokat generál, mely az elektroenkefalogramon is megjelenik. Az információáramlás a rendszerben kétirányú, az agykéreg is ad egy erőteljes visszacsatolást a talamuszba, melynek funkciója azonban nem tisztázott. Jelen kutatás ennek a pályának a működését vizsgálja korszerű módszerekkel. Szilikon alapú elektródokkal sok idegsejt egyidejű aktivitását fogjuk megfigyelni, miközben a kéreg-talamusz kapcsolatot lézerfénnyel serkentjük vagy gátoljuk. A kutatás eredményei hosszú távon segíthetnek az alvászavarok, illetve az epilepszia egyes formáinak megértésében, illetve gyógyításában.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Though the thalamus provides the majority of external inputs to the neocortex, the cortex also sends a massive feedback to the thalamus. This topographic, glutamatergic projection arising from layer 6., provides monosynaptic excitation and disynaptic inhibition to the thalamus, but its role is not yet elucidated. Here we propose to study this system with the combination of optogenetics in layer 6. specific transgenic animals, and multiple single unit silicon probe recordings. We aim to examine the net effect (excitation / inhibition) of the corticothalamic pathway during different stages of sleep / wakefulness, as well as in first- and higher order thalamic nuclei. We will also examine the effect corticothalamic activation and inactivation on initiation and termination of sleep oscillations, such as sleep spindles.
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. The thalamocortical system consists of three main components: the thalamic relay cells, constituting the main input to the neocortex, the thalamic reticular nucleus (nRT), providing an inhibitory feedback to relay cells, and the corticothalamic (CT) feedback, originating in layer 6. of the neocortex. This projection provides a massive, glutamatergic input to both relay and nRT cells, but its function and role in vivo is not clear. It is assumed to have role in attention dependent modulation of receptive fields, initiation and termination of sleep oscillations, or even a role as a classical modulatory pathway. In this proposal we aim to answer the following questions: - What is the net effect of corticothalamic feedback on thalamic cells? Is it direct excitation, or indirect (through nRT) inhibition? - How does this effect change under different levels of alertness (depending on the tonic / burst mode of the cells involved)? Is it possible that the CT projection is inhibitory during wakefulness, but excitatory under sleep, as our preliminary results indicate? - Is there a functional difference in CT feedback between first- and higher order thalamic nuclei? - What is the effect of CT activation / inactivation on sleep oscillations?
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 thalamocortical system is responsible for the generation of sleep oscillations, its pathological function can lead to diseases including absence epilepsy. The role of cortical feedbak in the normal functioning of this system is crucial, elucidating its mechanism may help the therapies of thalamicallt originating neurological syndromes.
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 cortex, locus of our higher mental functions, receives basically all incoming information through a subcortical structure, the thalamus. The thalamus, however, is more than just a relay station. While during wakefulness it passes incoming information to the cortex, during sleep it produces rhythmic oscillations instead, also visible on the electroencefalogram. The information flow in this system is two-way, the cortex also sends a strong feedback to the thalamust, the function of which is not clear yet. This project aims to study this system with state of the art techniques. We will use silicon-based electrodes to monitor the activity of several nerve cells simutaneously, while exciting / inhibiting the cortex-thalamus pathway with laser. The long-term results of this research may help the understanding, or even treatment of certain forms of epilepsy.
Final report
Results in Hungarian
Az agykéreg, tudatos működésünk székhelye, a bemenetei túlnyomó részét a talamuszból kapja. A kapcsolat nem egyirányú, a kéreg 6. rétege erős serkentő projekciót küld vissza a talamuszba. Ezen, ú.n. kortikotalamikus pálya funkciója vitatott, egyes hipotézisek szerint modulátor pályaként működik, azaz nem információt közöl, hanem a célterület hálózati állapotát finomhangolja. A kutatás során optogenetikai és sokcsatornás elektrofiziológiai módszerek segítségével vizsgáltuk a pálya működését NTSR1-channelrhodopsin egértörzsben. A kérgi visszacsatolás rövid aktivációja talamikus sejteken serkentés–előrecsatoló gátlás kombinációját eredményezte a hálózati állapot függvényében. Ébrenlét alatt a gátló komponens dominált, míg alvás alatt a serkentő komponens is érvényesült. A kérgi visszacsatoló rendszer hosszabb aktivációja a hálózati állapot változását váltotta ki. Alacsony frekvenciás ingerlése a felszínes alvásra jellemző alvási orsók jelenlétét erősítette, tonikus aktivációja viszont megszüntette az orsókat, és a mély alvásra jellemző delta aktivitást segítette elő. Erős kortikotalamikus aktiváció ezzel szemben mindkét alvási mintázatot eltünteti, és az ébrenlétre jellemző deszinkronizált aktivitást hoz létre. Ezek az állapotváltozások a csak a kéreg-talamusz kapcsolat helyi köreit befolyásolták, így az állatok globális ébrenléti állapotát nem befolyásolták. Eredményeink azt mutatják, hogy a kérgi visszacsatoló pálya a talamusz lokális modulátoraként funkcionál.
Results in English
The neocortex, center of our conscious activities, receives most of its inputs from the thalamus. Every thalamic are projects to some part of the cortex, and the lesion any thalamic area leads to the loss of function in the corresponding cortical area. This connection is not unidirectional, as cortical layer 6 (L6). in turn sends a massive glutamatergic projection back to the thalamus. The function of the layer 6. corticothalamic feedback is still debated, for example, according to Sherman and Guillery, it is a modulatory pathway, akin to classical modulators. Here we tested this hypothesis by examining the effect of L6 corticothalamic activation on thalamocortical oscillations and network state, using extracellular recordings and optogenetic stimulation in NTSR1-channelrhodopsin mice. We found that different patterns of L6 activity can promote the transition to both light- and deep sleep-like states, as well as to desynchronized activity. Low frequency L6 activation entrained sleep spindles in a temporal manner, while tonic L6 activity abolished spindling and promoted delta-rich sleep. Stronger L6 activation desynchronized the network, inducing gamma oscillations. These changes were confined to the activated thalamocortical circuit, suggesting that corticothalamic feedback acts as a local modulatory subsystem.
