 |
Investigation the effect of perisomatic innervation in the generation of spontaneous synchronous population activity in the neocortical tissue of epileptic and non-epileptic tumor patients, in vitro.
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121123 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Tóth, Kinga |
| Title in Hungarian |
A periszomatikus beidegzés szerepe a spontán szinkron populációs aktivitások kialakulásában epilepsziás és nem epilepsziás (tumoros) betegek neocortikális szeletpreparátumaiban. |
| Title in English |
Investigation the effect of perisomatic innervation in the generation of spontaneous synchronous population activity in the neocortical tissue of epileptic and non-epileptic tumor patients, in vitro. |
| Keywords in Hungarian |
epilepszia, humán, agykéreg, szinkronitás, periszomatikus beidegzés, sokcsatornás elvezetés, áramforrás sűrűség |
| Keywords in English |
epilepsy, human, neocortex, synchrony, perisomatic innervetion, multielectrode, current source density |
| Discipline |
| Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Institute of Cognitive Neuroscience and Psychology (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Wittner, Lucia
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2019-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.087 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Epilepsziás és nem epilepsziás (tumoros) betegek sebészeti úton eltávolított agyszövetében spontán szinkron populációs aktivitás (SSPA) mutatható ki in vitro.
Előzetes kísérleteinkben számos különbséget találtunk a nem-epilepsziás és az epilepsziás hálózat által generált SSPA-k tulajdonságaiban, de még tisztázatlan, hogy mik a funkcionális és szerkezeti alapjai ezeknek a különbségeknek.
Célunk feltárni, hogy a periszomatikus gátlás megváltozása szerepet játszik-e ebben, ezért megvizsgáljuk a GABAerg terminálisokkal kapcsolatos endocannabinoid jelátvitel hatását az SSPA-k előfordulására és tulajdonságaira.
Egysejtelvezetéssel tervezzük megvizsgálni az egyes piramis sejtek tüzelési mintázatát és a rájuk érkező membránpotenciálokat az SSPAk alatt. Szeretnénk megvizsgálni, hogy egy megváltozott endocannabinoid jelátvitel a GABAerg terminálisoknál szerepet játszhat-e abban, hogy a vizsgált piramis sejtek többsége depolarizáló választ mutat az SSPA-k alatt az epilepsziás mintákban.
Célunk továbbá elektronmikroszkópos szinten megvizsgálni a piramis sejteken a parvalbumin-tartalmú- és az 1-es típusú cannabinoid receptort kifejező kosársejtek által közvetített periszomatikus szinaptikus borítottságot, hogy feltárjuk, vajon az periszomatikus beidegzés esetleges megváltozása szerepet játszik-e az SSPA-k epilepsziás és nem-epilepsziás szövetben tapasztalt eltérő tulajdonságaiban.
Eredményeink várhatóan közelebb visznek ahhoz, hogy megértsük, hogyan alakul ki a szinkronitás az epilepsziás és a nem-epilepsziás idegsejt hálózatban, és hogy a strukturális különbségek hogyan vesznek részt a patológiás szinkronitás kialakításában.
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.
Előzetes kísérleteinkben különbségek mutatkoztak epilepsziás és nem-epilepsziás idegsejt-hálózat által generált spontán szinkron populációs aktivitások (SSPA) elektrofiziológiai tulajdonságai között, de még tisztázatlan, hogy mik a funkcionális és szerkezeti alapjai e különbségeknek.
Az epilepsziás hippocampusban az SSPA-k jelenlétét a serkentés és gátlás egyensúlyának felborulásával hozták összefüggésbe, egy új serkentő periszomatikus szinaptikus bemenetet írtak le a piramis sejteken.
Számos kutatás beszámol egy megváltozott periszomatikus gátlás jelenlétéről az epilepsziás hippocampusban.
Hipotézisünk szerint, a serkentés és gátlás egyensúlyának eltolódása a serkentés irányába, fontos tényezője lehet az SSPA-k epilepsziás neocortexben tapasztalt eltérő tulajdonságainak kialakításában. Javaslatunk szerint a parvalbumin-tartalmú- és az 1-es típusú cannabinoid receptort kifejező kosársejtek által közvetített periszomatikus gátlás megváltozása hozzájárulhat ehhez a jelenséghez, egy új periszomatikus serkentő beidegzés megjelenésével együtt.
Ezt a következő kísérletekkel kívánjuk vizsgálni: 1) tanulmányozzuk a GABAerg terminálisokkal kapcsolatos cannabinoid jelátvitel hatását a hálózati- és egysejt aktivitásra szimultán extra- és intracelluláris elvezetésekkel 2) megvizsgáljuk a piramis sejtek periszomatikus gátló és esetleges serkentő beidegzését elektronmikroszkópos módszerekkel.
Eredményeink várhatóan rávilágítanak a fiziológiás és patológiás aktivitások különbségeire és hozzájárulnak ahhoz, hogy megértsük, hogyan alakul ki a patológiás szinkronitás az epilepsziás neocortexben.
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!
Az epilepszia az egyik leggyakrabban előforduló neurológiai betegség. A gyógyszer-rezisztens betegek esetében, ha az epilepsziás rohamok kiindulópontja pontosan meghatározható, ezen agyterület sebészeti eltávolításával megszüntethetőek a rohamok. Az eltávolított agyszövet vizsgálatával lehetőség nyílik az epilepsziás idegsejt-hálózat működésének és szerkezetének tanulmányozására. Bár számos állatmodellt kidolgoztak az epilepszia tanulmányozására, ezek nem képesek reprodukálni azokat az összetett változásokat, melyeket az epilepsziás emberi agyszövetre jellemzőek. Ezért a műtétileg eltávolított emberi agyszövetek vizsgálatának különleges jelentősége van.
Az idegsejtek szinkron működésre való képessége magában rejti a lehetőségét, hogy meghatározott körülmények között (pl. epilepszia) ez a szinkron működés patológiássá váljon. Ezért kulcsfontosságú az idegsejtek szinkron populációs aktivitásának (SSPA) vizsgálata emberi agymintákban.
A tervezett kutatásban elektrofiziológiai és morfológiai módszerekkel kívánjuk vizsgálni a periszomatikus gátlás SSPA-k kialakításában betöltött szerepét, mind epilepsziás, mind nem epilepsziás mintákban. Vizsgálatainkat in vitro szeletpreparátumokon végzett farmakológiai kísérletekkel és ultrastrukturális szinten a piramis sejtek periszomatikus beidegzésének analizálásával tervezzük kivitelezni.
A területen a kutatócsoportok többsége csak epilepsziás minták vizsgálatára fókuszál. A mi kutatási tervünk azonban az epilepsziás minták nem epilepsziás betegekből származó mintákkal való részletes összehasonlítását célozza meg. Ezáltal jobb rálátást kaphatunk arra, hogy a normál hálózati aktivitás hogyan módosul epilepsziában. További előnye a mi munkánknak, hogy az elektrofiziológiai eredményeket egy részletes anatómiai vizsgálattal vetjük össze, melynek során fény-, konfokális- és elektronmikroszkópos szinten kívánjuk vizsgálni a mintáinkat.
Eredményeink segíthetnek megérteni, hogyan épül fel a szinkronizáció az epilepsziás és nem epilepsziás idegsejt hálózatokban, valamint hogy a feltételezett szerkezetbeli különbségek milyen hatással lehetnek a patológiás szinkronitás kialakulására. Eredményeink elősegíthetik az epilepszia, eddigieknél hatékonyabb kezelési módjainak kifejlesztését.
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 epilepsziát visszatérő rohamok jellemzik, melyeket nagyszámú idegsejt túlzott, egyszerre történő kisülése okoz.
Bár az antiepileptikumok széles skálája ismeretes, a betegek jelentős része gyógyszer-rezisztens. Amennyiben az epilepsziás rohamok kiindulópontja pontosan meghatározható, ezen agyterület sebészeti eltávolításával megszüntethetőek a rohamok. Az eltávolított agyszövet vizsgálatával lehetőség nyílik az epilepsziás idegsejt-hálózat működésének és szerkezetének tanulmányozására.
Az agyműködés két fő folyamata az idegsejtek serkentése (mely biztosítja az információáramlást) és a gátlás (mellyel a serkentés szabályozása valósul meg).
A gátló idegsejtek egy csoportjának, a periszomatikus gátlósejteknek szerepük van nagy mennyiségű serkentő idegsejt szinkron működésének kialakításában.
Epilepsziás és nem epilepsziás (tumoros) páciensekből műtétileg eltávolított agyszövet az eltávolítást követően még órákig él és az idegsejtek spontán, szinkron aktivitást mutatnak in vitro. Ez az aktivitás eltérő az epilepsziás mintákban.
A tervezett kutatásban vizsgálni kívánjuk, hogy a periszomatikus gátlás megváltozása szerepet játszik-e az epilepsziás mintákban tapasztalható eltérő hálózati aktivitás kialakulásában. Ezt farmakológiai anyagok alkalmazásával tervezzük vizsgálni humán túlélő agyszelet preparátumokon, és a serkentő idegsejtek beidegzésének elektronmikroszkópos szinten történő tanulmányozásával.
Eredményeink várhatóan rávilágítanak arra, hogyan épül ki az idegsejtek működésének szinkronizációja epilepsziás, és nem epilepsziás agyszövetben, és a feltételezett szerkezeti különbségek milyen hatással vannak az idegsejtek patológiás aktivitásának kialakulásában.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The postoperative brain tissue of either epileptic or non-epileptic tumor patients generates spontaneous synchronous population activity (SSPA), in vitro.
In our preliminary studies we could find certain differences in the electrophysiological characteristics of SSPAs generated by epileptic or non-epileptic networks, however it is still unclear what the structural and functional basis of these differences are.
To answer this question we aim to examine the effect of the endocannabinoid system linked to GABAergic terminals on the occurrence and characteristics of SSPAs in order to explore, whether an altered perisomatic inhibitory signaling may contribute to the different characteristics of population events generated by epileptic and a non-epileptic networks.
We aim to perform simultaneous intracellular recordings of pyramidal cells in order to characterize their firing behavior and synaptic potentials during SSPAs. We aim to study the possible contribution of an altered cannabinoid action on GABAergic transmission in the increased depolarizing postsynaptic responses to SSPAs found in epileptic samples.
We aim to perform the ultrastructural examination of the perisomatic synaptic coverage of principal cells provided by the parvalbumin-positive basket cells and type 1 cannabinoid receptor-expressing interneurons in order to explore how different types of perisomatic inhibitory innervation may contribute to population events in a non-epileptic and an epileptic network.
Our results may shed light how synchronization is recruited in epileptic and non-epileptic networks and how presumed structural differences may impact in the development of pathological synchronies.
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 preliminary studies suggest differences in the electrophysiological characteristics of spontaneous synchronous population activity (SSPAs) generated by neocortical slices of epileptic or non-epileptic patients. However, it is unclear what the structural and functional bases of these differences are.
In the epileptic hippocampus, an imbalance between excitation and inhibition was correlated with the generation of these events; a novel somatic excitatory input to pyramidal cells was shown.
Several studies pointed out the involvement of an altered perisomatic inhibition in the epileptic hippocampus.
We hypothesize, that an impaired balance between excitation and inhibition in favor of excitation may have an important role in the alteration of SSPAs in the epileptic neocortex, compared to non-epileptic. We propose that an alteration in the perisomatic inhibitory innervation of pyramidal cells provided by the fast spiking parvalbumin-positive- and type 1 cannabinoid receptor-expressing basket cells together with a potential additional perisomatic excitatory innervation may contribute to this phenomenon.
To test this we examine 1) the possible contribution of an altered cannabinoid action at GABAergic terminals on the network- and single cell activity in epileptic samples, by simultaneous extra- and intracellular recordings; 2) the perisomatic inhibitory synaptic coverage of principal cells and a possible additional excitatory inputs at the electron microscopic level.
Our results may shed light on differences between physiological and pathological activities, helping to understand how pathological synchrony is recruited in the epileptic neocortex.
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.
Epilepsies are one of the most frequent neurological disorders. In case of the treatment-resistant patients, if the epileptic focus can be precisely localized epilepsy surgery is a possible solution for blocking seizures. The removed epileptogenic tissue provides an opportunity to study the functioning and the morphological structure of the epileptic network.
Although several animal models have been developed to study epilepsies, neither of them is capable to reproduce all the complex changes which can be observed in the epileptic human brain. Hence, examination of the postoperative human tissues is of great significance.
The capability of the neuronal networks to work synchronous during normal functioning renders the possibility of the development of pathological synchrony at certain conditions, like epilepsy. Therefore, it is of special interest to study the mechanisms of synchronous population activities (SSPA) in human neocortical specimens.
In the proposed project we plan to examine the impact of the perisomatic inhibition on the formation of SSPA both in non-epileptic and epileptic networks combining electrophysiological and morphological methods. We plan to work out this either by pharmacological experiments on in vitro slice preparations or by analyzing the perisomatic innervation of principal cells at the ultrastructural level.
Most if not all of the studies in the field focus on epileptic subjects. In this regard, our project proposal is a pioneer work aiming a detailed comparison of brain tissue derived from epileptic patients with non-epileptic specimens, allowing us to obtain a better overview on how normal network functions are altered in epilepsy. Another advantage that we plan to correlate the electrophysiological data with a detailed anatomical processing, focusing not only on the light and confocal microscopy level, but aiming a thorough electron microscopic analysis of the samples as well.
Our results may help to understand how synchronization recruited in epileptic and non-epileptic networks and how presumed structural differences may impact the development of pathological synchrony. We expect that our results will promote the development of more efficient antiepileptic treatment.
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.
Epilepsy is characterized by recurrent seizures emerging from the excessive and pathologically hypersynchronous function of a large amount of nerve-cells.
Despite the large variety of antiepileptic drugs available, a significant part of the patients are treatment-resistant. In those cases, where the seizure focus can be precisely localized epilepsy surgery is a possible solution for blocking seizures. The removed brain tissue provides an opportunity to study the functioning and the morphological structure of the epileptic network.
Two main processes in brain functioning are excitation (providing the flow of information) and inhibition (regulating the excitatory processes).
A population of inhibitory nerve-cells, called perisomatic interneurons are involved in the generation of synchronic functioning of large amount of excitatory nerve-cells.
The removed brain tissue of either epileptic or non-epileptic (tumor) patients survive for several hours and generates spontaneous synchronous activity of the nerve-cells, in vitro. The characteristics of these events are somewhat different in epileptic samples.
In the proposed project, we would like to examine whether and altered perisomatic inhibition contribute to the altered network activity found in the epileptic samples by applying pharmacological agents on living brain slice preparations and by studying the innervation of excitatory nerve -cells at the electron microscopic level.
Our results may shed light how synchronization is recruited in epileptic and non-epileptic networks and how presumed structural differences may impact the development of pathological synchrony.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
