Az információkódolás szinaptikus és dendritikus mechanizmusai hippokampális CA3 piramissejtekben
Title in English
Synaptic and dendritic mechanisms underlying information coding by hippocampal CA3 pyramidal neurons
Keywords in Hungarian
hippokampusz, memória, dendrit, CA3, helykódolás
Keywords in English
hippocampus, memory, dendrite, CA3, place coding
Discipline
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
LendületLaboratory of Neuronal Signaling (Institute of Experimental Medicine)
Participants
Andrásfalvy, Bertalan Károly Raus Balind, Snezana Sere, Péter
Starting date
2017-12-01
Closing date
2022-11-30
Funding (in million HUF)
47.986
FTE (full time equivalent)
6.70
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Kutatási programunk célja az emléknyomok hippokampális kódolásának alapjául szolgáló, összehangolt aktivitású idegsejt csoportok („ensemble”) kialakulásában szerepet játszó sejtszintű mechanizmusok feltárása. Ezen folyamatok feltárása különösen érdekes a CA3 régióban, ahol az ensemble működésnek nagy jelentőséget tulajdonítanak a kontextuális emléknyomok asszociatív tárolásában és előhívásában. A jelen pályázatban azt a kérdést szeretnénk megválaszolni, hogy a CA3 piramissejtek helyszelektív (térkódoló) tüzelését kiváltó küszöbalatti depolarizáció létrehozásában elsősorban a (már helyszelektív információt hordozó, gyrus dentatusból érkező) moharostok szinapszisainak vagy inkább a sejtek dendritikus excitábilitásának (különösen a dendritikus spike-oknak) van-e szerepe. A pályázat specifikus céljai a következők:
1. cél: Meghatározni az akciós potenciál küszöbének eléréséhez szükséges depolarizáció komponenseit térbeli navigáció során CA3 piramissejtekben
2. cél: Megvizsgálni a moharostok és a dendritikus spike-ok manipulációjának hatását a CA3 piramissejtek hely-szelektív tüzelésére
A célok eléréséhez fejrögzített, futószalagon mozgó egerekben végzett patch-clamp elvezetéssel és optogenetikai és farmakológiai manipulációkkal vizsgáljuk CA3 piramissejtekben a szinaptikus bemenetek és az aktív integrácós tulajdonságok részvételét a térspecifikus kódolás 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. Hogyan képes agyunk az életünk során bekövetkező eseményeket, tapasztalatokat emlékekként eltárolni és előhívni? A hippokampuszban a külvilágból érkező információk kódolása kisszámú, térben elszórt idegsejt összehangolt tüzelési aktivitása révén történik („ensemble” kód). Az egy adott információt kódoló sejtek kiválasztásának sejtszintű mechanizmusai kevéssé ismertek. Noha általánosan feltételezett, hogy a sejtek által kapott specifikus szinaptikus bemenetek a meghatározóak a kódolás kialakításában, újabb adatok szerint a kiválasztódás során a sejtek aktuális excitabilitása és bizonyos inputok dendritikus felerősítésére való képessége szintén fontos tényező. Ez a kérdés különösen érdekes a CA3 régió piramissejtjei esetében. Klasszikus elképzelések szerint ezen sejtek tüzelési aktivitását elsősorban a gyrus dentatus felől érkező moharostok vagy a korábbi tanulási folyamatok során potencírozott rekurrens és/vagy perforáns pálya szinapszisok alakítják ki. Korábbi, in vitro végzett kutatásaink viszont kimutatták, hogy a CA3 piramissejtek különböző, inputfelerősítő dendritikus spike-ok létrehozására képesek, és excitábilitásuk igen heterogén, ami arra utal, hogy ezen tulajdonságoknak szerepe lehet a kódolás kialakításában. A jelen pályázatban feltett központi kérdésünk: hogyan függ az egyes CA3 piramissejtek hely- vagy kontextusfüggő tüzelése a szinaptikus bemeneteik aktivitásától illetve a dendritikus excitabilitásuktól? A kérdés kísérletes megválaszolásához fejrögzített, futószalagon mozgó egerekben CA3 piramissejtekből végzünk patch-clamp elvezetéseket, melyeket optogenetikai és farmakológiai módszerekkel kombinálunk.
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! Szervezetünk legösszetettebb funkciójú szerve az agy, részletes megértése ezért talán a legnehezebb. A kísérleti módszerek utóbbi években történt fejlődésének köszönhetően korábban elképzelhetetlen részletességgel vizsgálhatjuk az idegi hálózat működésének sejtszintű alapmechanizmusait. Kutatásunkban élvonalbeli technikák használatával tervezzük feltárni a hippokampusz CA3 régiójában található piramissejtek információkódoló tulajdonságait meghatározó szinaptikus és dendritikus mechanizmusokat. A várható eredmények közvetlenül hozzájárulnak nemcsak a térbeli navigációhoz szükséges idegi folyamatok megértéséhez, hanem a tanulás és emléktárolás általános sejt- és hálózati szintű elveinek felderítéséhez. A neuronhálózat funkcionális szerveződését és élettani működését meghatározó alapvető elvek megismerése új stratégiai utakat nyithat meg az idegrendszer működési zavarainak és betegségeinek kezelésében, melyek egyre növekvő terhet jelentenek a fejlett társadalmak számára.
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. Hogyan képes agyunk az életünk során bekövetkező eseményeket, tapasztalatokat emlékekként eltárolni és előhívni? A tanulási folyamatokban kritikusan fontos agyterületen, a hippokampuszban a külvilágból érkező információk kódolása térben elszórt, kisszámú idegsejt összehangolt aktivitása révén történik. Ma még kevéssé ismert, hogy mely sejtszintű mechanizmusok határozzák meg, hogy egy adott idegsejt milyen információ vagy emléknyom kódolásában vesz részt. Ezt a kérdést kutatócsoportommal a hippokampusz CA3 piramissejtjeiben szeretnénk megválaszolni; ennek az agyterületnek fontos szerepet tulajdonítanak az asszociatív emléknyomok tárolásában és előhívásában, valamint a térbeli tájékozódásban. Mitől tüzel akciós potenciálokat egy CA3 piramissejt a tér egy bizonyos pontján? Az egyik, a klasszikus elképzelés szerinti lehetőség, hogy a sejt specifikus, már térszelektív szinaptikus bemenetet kap (pl. a moharost szinapszisokon keresztül a gyrus dentatus-ból). Korábbi kutatásunk ugyanakkor felvet egy másik lehetőséget is, mely szerint az információkódolásban való részvétel függ a sejtek (különösképpen a dendritjeik) ingerelhetőségétől, amely lehetővé teszi egyes inputok felerősítését egy heterogén csoportból. A jelen pályázatban élvonalbeli elektrofiziológiai, optogenetikai és farmakológiai módszerek alkalmazásával felderítjük e két lehetséges mechanizmus hozzájárulását a CA3 piramissejtek térszelektív tüzelésének kialakításához. A javasolt kutatási program elősegíti a térbeli tájékozódás valamint a kontextuális memóriafolyamatok alapját képező sejt- és hálózati szintű mechanizmusok megértését.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The general goal of my research program is to understand the cellular and network mechanisms underlying the formation of hippocampal memory-coding neuronal ensembles. We are particularly interested in the formation of ensembles in the CA3 circuitry, which is implicated in associative encoding and retrieval of contextual memory traces. The question we would like to address is, whether the subthreshold depolarization driving location-selective action potential firing (i.e. place coding) in CA3 pyramidal cells (CA3PCs) is governed primarily by the activation of their mossy fiber synapses (carrying already spatially tuned input from the dentate gyrus), or by their intrinsic properties allowing regenerative dendritic input integration through local dendritic spikes (rendering them sensitive to heterogeneous synaptic input). In the current proposal we aim to elucidate the contribution of mossy fiber inputs and dendritic spikes to spatial coding by CA3PCs. The specific aims of the proposal are:
Specific Aim 1. To determine the source(s) of the subthreshold depolarization eliciting location-dependent action potential firing by CA3PCs during spatial navigation
Specific Aim 2. To investigate the impact of manipulating mossy fiber inputs and dendritic spikes on spatial tuning of CA3PCs
We will achieve these goals using in vivo whole-cell current-clamp recordings from CA3PCs in head-fixed mice navigating on a treadmill. The contribution of mossy fiber inputs and dendritic spikes will be elucidated by analysis of spatially selective subthreshold voltage responses at different membrane potentials, combined with optogenetic and pharmacological manipulations.
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. Memories of events need to be acquired and recalled every day. In the hippocampus, awake experiences are represented by sparse sets of neurons with correlated firing activity (ensembles). Our knowledge is poor about the cellular mechanisms that determine which neurons will be selected into a given information-coding ensemble. While it is reasonable to hypothesize that the specific inputs a particular neuron receives in a given environment determine it’s firing activity, recent studies raised the idea that feature coding may depend on the intrinsic excitability of neurons rather than on their inputs. This question is particularly interesting in hippocampal CA3 pyramidal cells (CA3PCs). Classical theories proposed that the firing of CA3PCs is determined either by mossy fibre inputs from dentate gyrus granule cells (during memory encoding) or by potentiated recurrent and perforant path synapses (during memory retrieval). On the other hand, recent in vitro studies by us and others revealed several forms of regenerative dendritic input integration in CA3PCs and heterogeneity of their intrinsic properties, suggesting that dendritic excitability may be a key factor in tuning their firing in response to environmental stimuli. In the current proposal we would like to address the question: how does place- or context-dependent firing of CA3PCs depend on their synaptic inputs and dendritic excitability? Our research program will elucidate the contribution of these mechanisms experimentally, using in vivo patch-clamp electrophysiology with optogenetics and pharmacology in head-fixed behaving mice.
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. Among all organs of the mammalian body, the function of the brain is the least well understood due to its vast complexity. Recent efforts to advance the technical tools to record and manipulate neuronal activity enabled addressing questions about the cellular basis of neuronal network functions with unprecedented precision. The research of the current proposal will use novel cutting-edge techniques to elucidate how synaptic inputs and dendritic processing facilitate location- or context-dependent firing of pyramidal cells in the hippocampal CA3 area (a network thought to be essential for building and retrieving associative memories). Our research program will directly contribute to our understanding of the cellular mechanisms underlying spatial coding in the hippocampus, and in general will shed light on the computational strategies used in cortical circuits to store and retrieve memories. Understanding the cellular correlates of learning and memory processes may form the basis for developing new strategies to treat disfunctions of this complex system, which increasingly burden well-developed societies.
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. Memories of events need to be acquired and recalled every day. In the brain region called hippocampus, information about the outside world during awake experiences is represented by sparse sets of neurons with correlated firing activity (called ensembles). Our knowledge is poor about the cellular mechanisms that determine which neurons will be selected into a given information-coding ensemble. We are interested in this question in pyramidal cells (PCs) in the hippocampal CA3 area, which is implicated in associative memory and spatial navigation. What makes CA3PCs fire action potentials at a particular location in an environment? One possibility is that CA3PCs receive spatially tuned synaptic inputs (e.g. through mossy fibres from the upstream dentate gyrus), as proposed by classical theories. Another possibility, suggested by our previous work, is that CA3PCs recruited into a new ensemble have more excitable dendrites, allowing selective amplification of certain inputs from a heterogeneous pool. In the current proposal we aim to elucidate the contribution of these two possible mechanisms to spatial coding by CA3PCs using cutting-edge techniques. We will record and analyse voltage signals in location-selective CA3PCs in head-fixed mice while they are running on a treadmill, and we will test the impact of manipulating the inputs and dendritic function of CA3PCs using pharmacological and novel optogenetic tools. The proposed research will advance our understanding of the neuronal correlates of spatial navigation and contextual memory formation.
Final report
Results in Hungarian
Kutatásunk célja annak megértése, hogy a hippokampális CA3 terület piramissejtjeinek helyszelektív (térkódoló) tüzelési aktivitásának kialakításában milyen szerepet játszik a sejtek dendritikus excitábilitása (különösen a regeneratív dendritikus spike-ok) illetve a moharost bemenetek aktivitása. A kérdést in vivo szomatikus patch-clamp elvezetéssel terveztük vizsgálni. Agyszeletben végzett párhuzamos kísérleteink ugyanakkor feltárták, hogy a CA3 piramissejtek többféle, különböző kinetikájú dendritikus Ca2+ spike típust expresszálhatnak, amelyek egymással ellentétes szomatikus tüzelési választ válthatnak ki (sorozattüzelés ill. egyedi akciós potenciálok). Mivel az eredmények új megvilágításba helyezték a dendritikus spike-ok lehetséges hatásait a kódolásra, továbbá az in vivo patch-clamp kísérletek technikai nehézségei miatt, új kísérleti megközelítéssel in vivo két-foton Ca2+ képalkotást alkalmaztunk, amellyel a szomatikus és dendritikus aktivitást egyidőben vizsgálhatjuk virtuális térben navigáló egerekben. Eredményeink szerint többféle szóma-dendrit aktivitási mintázat figyelhető meg CA3 piramissejtekben in vivo. A mintázatok hátterében álló mechanizmusok azonosítása és ezek térkódolással való összefüggésének vizsgálata további vizsgálatokat igényel, melyek folyamatban vannak. Eredményeink segíthetnek megérteni az agykérgi idegsejtek szubcelluláris információfeldolgozási mechanizmusait.
Results in English
The research project aimed to elucidate the contribution of dendritic excitability (specifically, regenerative dendritic spikes) and mossy fiber inputs to spatial coding by pyramidal neurons of the hippocampal CA3 area. We originally planned to address the question using in vivo somatic patch-clamp recordings. Our parallel in vitro experiments in acute slices however uncovered that CA3 pyramidal neurons have unique dendritic qualities, and can express multiple different types of dendritic Ca2+ spikes with distinct kinetics and opposing impact on somatic action potential output (i.e. bursts vs single spikes). Since the new results revealed more complex effects of dendritic spikes on somatic output than previously anticipated, and due to the technical challenges of in vivo patch-clamp, we switched to a conceptually new strategy and investigated somatic and dendritic activity using in vivo Ca2+ imaging in mice during navigation in virtual space. Our initial results indicate different types of soma-dendrite activity patterns in CA3 pyramidal neurons in vivo. Identification of the mechanisms behind the patterns and their relationship to place coding requires further investigations and analysis that are in progress. Our results advance the understanding of the complex subcellular mechanisms of cortical information processing.
Magó Ádám, Kis Noémi, Lükő Balázs, Makara Judit K: Distinct dendritic Ca2+ spike forms produce opposing input-output transformations in rat CA3 pyramidal cells, ELIFE 10: e74493, 2021
Magó Ádám, Weber Jens P., Ujfalussy Balázs B., Makara Judit K.: Synaptic Plasticity Depends on the Fine-Scale Input Pattern in Thin Dendrites of CA1 Pyramidal Neurons, JOURNAL OF NEUROSCIENCE 40: (13) pp. 2593-2605., 2020
Ujfalussy B.B., Makara J.K.: Impact of functional synapse clusters on neuronal response selectivity, NATURE COMMUNICATIONS 11: (1) 1413, 2020
Raus Balind Snezana, Magó Ádám, Ahmadi Mahboobeh, Kis Noémi, Varga-Németh Zsófia, Lőrincz Andrea, Makara Judit K: Diverse synaptic and dendritic mechanisms of complex spike burst generation in hippocampal CA3 pyramidal cells, NATURE COMMUNICATIONS 10: (1) 1859, 2019
Ujfalussy B.B., Makara J.K., Lengyel M., Branco T.: Global and Multiplexed Dendritic Computations under In Vivo-like Conditions, NEURON 100: (3) pp. 579-592., 2018
Kis N, Magó Á, Lükő B, Makara JK: Heterogeneous dendritic Ca2+ spike properties in CA3 pyramidal neurons, FENS Forum, 2022
Magó Ádám, Weber Jens P., Ujfalussy Balázs B., Makara Judit K.: Synaptic Plasticity Depends on the Fine-Scale Input Pattern in Thin Dendrites of CA1 Pyramidal Neurons, JOURNAL OF NEUROSCIENCE 40: (13) pp. 2593-2605., 2020
Ujfalussy B.B., Makara J.K.: Impact of functional synapse clusters on neuronal response selectivity, NATURE COMMUNICATIONS 11: (1) 1413, 2020
Ujfalussy B.B., Makara J.K., Lengyel M., Branco T.: Global and Multiplexed Dendritic Computations under In Vivo-like Conditions, NEURON 100: (3) pp. 579-592., 2018
