 |
Effect of corticothalamic innervation on thalamic somatosensory nuclei
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121307 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Borbély, Sándor |
| Title in Hungarian |
A kortikotalamikus innerváció szerepének vizsgálata a szomatoszenzoros talamikus magvakban |
| Title in English |
Effect of corticothalamic innervation on thalamic somatosensory nuclei |
| Keywords in Hungarian |
talamusz, retikuláris mag, kortiktalamikus, optogenetika |
| Keywords in English |
thalamus, reticular thalamic nucleus, corticothalamic, optogenetics |
| Discipline |
| Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Neurobiology | | Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Institute of Cognitive Neuroscience and Psychology (Research Center of Natural Sciences) |
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2019-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.087 |
| FTE (full time equivalent) |
2.10 |
| 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 agykéreg szinte összes érzőbemenete a talamusz közvetítésével éri el a specifikus érzőkérgi területeket. Az információfeldolgozás fontos aspektusa, hogy a kéreg - döntően a 6. réteg kortikotalamikus sejtjei által – topografikus csatolással a talamuszt is bevonja ebbe a folyamatba. Ezen projekciók anatómiai tulajdonságai alaposan feltártak, azonban a működésről, szerepéről keveset tudunk. Tervezett vizsgálatainkban speciális, a kortikotalamikus pályák specifikus ingerlését lehetővé egértörzsekben optogenetikai és soksejt elvezetéses kísérletekben vizsgálnánk a kérgi visszacsatolás szerepét, serkentő vagy gátló jellegét. Megvizsgálnánk, hogy a talamusz két fő sejttípusának, a relésejteknek és a retikuláris mag gátló idegsejtjeinek a működése hogyan változik meg a kérgi visszacsatolás hatására, illetve a hatás függ-e az ébrenléti állapottól.
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 érzékelési információ feldolgozásában a köztiagy részét képező talamusz igen fontos szerepet tölt be, a szaglópálya kivételével minden érző pályarendszer áthalad rajta, reléállomásként továbbítja a specifikus érző információt a megfelelő kéregterületek felé. Az agykéreggel kétirányú kapcsolatban áll, az 5. és 6. rétegből is kapnak bemenetet a talamusz magasabbrendű és primer magjai. A primer magokban lévő relésejtek egyszerre kapnak direkt serkentő és közvetett feed-forward gátlást, ugyanazon kérgi idegsejtektől. A jelenség összetettsége révén nem ismert még, hogy a kérgi visszacsatolásnak mi a szerepe, a kérgi hálózat különböző működési állapotaiban a relémagvak és a retikuláris mag sejtjeinek működése, tüzelési mintázata hogyan változik meg hatására, és hogyan tud a talamusz közreműködésével az agykéreg működési állapota is megváltozni.
Tervezett kísérleteimben transzgénikus egértörzsekben (NTSR1-Chr) in vivo megközelítést alkalmazva vizsgálnám a 6. rétegi kortikotalamikus innerváció talamikus sejtekre gyakorolt hatását szabadon mozgó állatokban. Az alábbi kérdésekre keresem a választ:
1. Mi a kétfázisú kérgi visszacsatolás összegzett hatása a relésejteken?
2. Az ébrenlét és a természetes alvás különböző fázisaiban hogyan változik a kérgi visszacsatolás jellege?
3. Hogyan hangolható át a visszacsatolás serkentő/gátló jellege?
4. A magasabbrendű talamikus magvakon érvényesülő visszacsatolás hogyan viszonyul a primer magokat érő visszacsatoláshoz?
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 kérgi visszacsatolás szerepe sokrétű lehet, ennek megismerése mindenképpen kiemelt társadalmi hasznosíthatósággal bír. A talamokortikális kör az alvás ébrenlét szabályozásában érintett, emiatt az ebben témában végzett alapkutatások lehetőséget adhatnak az alváshoz köthető működészavarok jobb megismerésérre. Mivel az alvászavarok, vagy az insomnia, manapság egyre inkább népbetegség a téma időszerűsége nem vitatható. A talamokortikális rendszer működészavara a kis roham vagy másképpen absence epilepszia is, ahol a rendszer egy 3-4 Hz-es tüskehullám aktivitást generál. Mivel az absence epilepsziaroham naponta többször is kialakulhat, az életminőséget jelentősen lerontja, tehát e jelenség hátterének feltárása is kiemelt társadalmi hasznosíthatósággal bír. Fontos terület lehet még az érzékelési folyamatok alaposabb megismerése, ami hasznos lehet bármely érzékeléssel kapcsolatos implantátum tervezésénél, legyen szó tapintási, látási, vagy hallás érzékelésről. Mivel mi a szomatoszenzoros rendszert tervezzük vizsgálni, így főleg a tapintási érzékelés alaposabb megismerésére lesz mód.
A tervezett munka erősségét – és egyúttal nehézségét is - főleg az in vivo megközelítés adja. Mivel e kísérleteknél a modell kevesebb tulajdonságát vagyunk képesek szabályozni, ráadásul egy komplex, élő rendszerben dolgozunk, felmerülhetnek olyan váratlan hatások, akadályok, amelyek megoldása időigényesebb lehet. Előny viszont, a természeteshez közel álló modellben végezzük vizsgálatainkat, így közvetlenül hasznosíthatók az eredmények. Az optogenetikai megközelítés is újszerű, használatával nagyon specifikusan tudjuk a vizsgálni kívánt kortikotalamikus projekciót szabályozni, anélkül, hogy már pályarendszereket is aktiválnánk.
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 agykéreg, idegrendszerünk legmagasabb szintű központja szinte összes bemenetét az alatta elhelyezkedő talamuszból kapja. A talamusz nemcsak közvetíti a kéreg felé a perifériáról érkező érzékelési információt, hanem a kéreggel kétirányú kapcsolatban áll és ébrenlét során aktívan részt vesz az információ feldolgozásban. Alvás során a kéreg-talamusz közötti információáramlás megszűnik és helyette a talamusz ritmikus aktivitásmintázatot generál. Habár vannak már ismereteink erről a rendszerről, azonban a kérgi visszacsatolás pontos szerepét még nem tudjuk. Kísérleteinkben olyan egereken tervezzük vizsgálni ennek a rendszernek a működését ahol szabadon mozgó állatokban sok idegsejt aktivitását detektálnánk egyszerre a talamuszban és lézerfény alkalmazásával serkentenénk, vagy gátolnánk az agykéregből a talamuszba futó pályákat. A kutatás eredményei segítenék az alvászavarok, egyes epilepszia betegségek és az érzékelés jobb megismerését.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Almost every sensory pathway targeting the neocortex reaches its specific cortical area through the thalamus. Thalamus is more than a simple relay station, it has reciprocal connections – mostly via layer 6 corticothalamic neurons - with neocortex, making the involvement of thalamus in information processing possible. The anatomical properties of this topographical layer 6 projection are well described, however its functional relevance is still matter of debate. In our present project we plan to investigate the role of layer 6 cortical feedback and its excitatory/inhibitory nature using optogenetics and multiunit activity recordings in transgenic mouse strains expressing channelrhodopsin-2 in corticothalamic neurons. We will analyse the sleep/wake cycle dependent effect of cortical feedback on the cell firing properties of two main thalamic neuronal populations, namely the relay cells and inhibitory neurons of reticular thalamic nucleus.
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.
Thalamus has a crucial role in the sensory information processing, every sensory pathway excluding olfactory tract passing via thalamus, which acts as a relay station. The information flow between thalamus and neocortex is not unidirectional, it has reciprocal connections with corresponding cortical regions. Cortical layer 6 efferents are targeting primary and higher-order thalamic nuclei, respectively. Relay cells of primary thalamic nuclei are excited by a direct cortical innervation and indirectly inhibited via a feed-forward inhibition with the same origin. Due to this biphasic effect, the exact role of cortical feedback on thalamic activity is not well understood. It is not known how the firing pattern of relay cells and reticular inhibitory neurons are affected by layer 6 projections, how this modulation changes related to sleep/wake cycle.
In my planned research work, I will carry out in vivo electrophysiological – optogenetics experiments on freely moving NTSR1-Chr transgenic mice, to study the effect of layer 6 innervation on neuronal activity of thalamus. The following questions have emerged:
1. What is the net effect of biphasic corticothalamic projection on thalamic cells?
2. How are the properties of cortical feedback dependent on sleep/wake cycle related state changes?
3. How can be the excitatory/inhibitory property of feedback overwritten experimentally?
4. What is the difference in layer 6 cortical feedback to primary and higher order thalamic nuclei?
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 role of cortical feedback on thalamus can be quite diverse, therefore better understanding of this process has outstanding social benefit. Since the thalamocortical circuit highly involved in the regulation of sleep/wake activity cycle, basic research of this topic might reveal those processes which can lead to sleep disorders. Sleep disorders, including insomnia, hypersomnia, are more common in human population, making sleep research more important. The abnormal activity of thalamocortical system may develop absence or ‘petit mal’ seizures, when 3-4 Hz spike-and-wave generalized activity can be recorded on scalp electroencephalogram recordings and results in unconsciousness. The incidence of this type of seizure activity is extremely high, more seizure can be elicited each day, resulting in reduced quality of life. Another possible significance of our research is the better understanding of sensory processes, which can be utilized in the design of implants for patients with different sensory disabilities. We plan to investigate the somatosensory system, so hopefully some aspects of tactile information processing will be revealed.
The strength– and the difficulty - of our project is the in vivo approach we plan to use. Using in vivo method we cannot take every experimental condition under control, because we make experiments on a complex living system, which sometimes lead to unexpected effects or problems. On the other hand, experimental data is collected in a condition which is close the natural state of brain, so results can be more easily interpreted. The novelty of the optogenetic approach is also important, optogenetic stimulation of corticothalamic pathways will be very specific and side-effects of stimulation will be reduced.
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 neocortex is the most important centre of our nervous system which receives almost all sensory input from thalamus. Thalamus acts not only as a relay centre of information coming from the periphery, but due to its reciprocal connections with neocortex it takes part in information processing in awake state. During sleep the bidirectional information flow between cortex and thalamus is suspended, and thalamus begins to generate rhythmic activity. Although we have information about this system, the exact role of it is still a matter of debate. In our research project we plan to investigate this system in freely moving mice with chronically implanted silicone based electrodes and optic fibres. By illuminating corticothalamic pathways with laser light we could excite or inhibit these projections. Our results might make a progress in the research of sleep disorders, absence epilepsy and sensory information processing.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Veronika Balogh, Sándor Borbély, Márton Csernai, Péter Barthó: Shaping of thalamic network activity by layer 6 corticothalamic feedback, FENS regional meeting, Pécs, 2017 | | Sándor Borbély, Veronika Balogh, Márton Csernai, Dávid Burka, Péter Barthó: Cortical layer 6 regulates network state, SfN Neuroscience meeting Washington, 2017 | | Veronika Balogh, Sándor Borbély, Márton Csernai, Péter Barthó: Corticothalamic effect on thalamic neurons, SfN Neuroscience meeting Washington, 2017 | | Sándor Borbély, Ildikó Világi, Zsófia Haraszti, Örs Szalontai, Tünde Hajnik, Attila Tóth, László Détári: Sleep deprivation decreases neuronal excitability and responsiveness in rats both in vivo and ex vivo, BRAIN RES BULL 137: 166-177, 2018 | | Borbely S, Jocsak G, Moldovan K, Sedlak E, Preininger E, Boldizsar I, Toth A, Atlason PT, Molnar E, Vilagi I: Arctigenin reduces neuronal responses in the somatosensory cortex via the inhibition of non-NMDA glutamate receptors., NEUROCHEM INT 97: 83-90, 2016 | | Sándor Borbély S, Veronika Balogh, Márton Csernai, Dávid Burka, Péter Barthó: Cortical layer 6 regulates network state, FENS 2018, E009, 2018 | | Márton Csernai, Kinga Kocsis, Dávid Burka, Sándor Borbély, Zoltán Fekete, Veronika Balogh, Szabolcs Káli, Zsuzsa Emri, Péter Barthó: Sleep spindle frequency is modulated by temperature in vivo and in silico, FENS 2018, E010, 2018 | | Balogh Veronika, Szádeczky-Kardoss Katalin, Varró Petra, Világi Ildikó, Borbely Sandor: Analysis of propagation of slow rhythmic activity induced in ex vivo rat brain slices, BRAIN CONNECTIVITY 9: (8) pp. 649-660., 2019 | | Bencsik Norbert, Pusztai Szilvia, Borbély Sándor, Fekete Anna, Dülk Metta, Kis Viktor, Pesti Szabolcs, Vas Virág, Szűcs Attila, Buday László, Schlett Katalin: Dendritic spine morphology and memory formation depend on postsynaptic Caskin proteins, SCIENTIFIC REPORTS 9: (1) 16843, 2019 | | Benkő Z., Moldován K., Szádeczky-Kardoss K., Zalányi L., Borbély S., Világi I., Somogyvári Z.: Causal relationship between local field potential and intrinsic optical signal in epileptiform activity in vitro, SCIENTIFIC REPORTS 9: (1) 5171, 2019 | | Csernai Márton, Borbély Sándor, Kocsis Kinga, Burka Dávid, Fekete Zoltán, Balogh Veronika, Káli Szabolcs, Emri Zsuzsa, Barthó Péter: Dynamics of sleep oscillations is coupled to brain temperature on multiple scales., JOURNAL OF PHYSIOLOGY-LONDON 597: (15) pp. 4069-4086., 2019 | | Szádeczky-Kardoss Katalin, Varró Petra, Szűcs Attila, Borbély Sándor, Világi Ildikó: Kainate receptors have different modulatory effect in seizure-like events and slow rhythmic activity in entorhinal cortex ex vivo, BRAIN RESEARCH BULLETIN 153: pp. 279-288., 2019 | | Borbély S., Zalatnai A., Balogh V., Csernai M., Borján D., Gulyás É., Barthó P.: Cortical layer 6 modulates on-going network state, MITT 2019, P57, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
