 |
Direct recording and imaging of axonal voltage signals in small mossy fiber terminals
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
125148 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Szabadics, János |
| Title in Hungarian |
Axonális feszültségjelek mérése kisméretű moharost terminálisokban közvetlen elvezetés és imaging módszerekkel |
| Title in English |
Direct recording and imaging of axonal voltage signals in small mossy fiber terminals |
| Keywords in Hungarian |
Hippocampus, akciós potenciálok, moharost axon, patch clamp elektrofiziológia, nagy és kicsi moharost terminálisok |
| Keywords in English |
Hippocampus, action potentials, Mossy fibers, patch clamp electrophysiology, large and small mossy fiber terminals |
| Discipline |
| Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Lendület Laboratory of Cellular Neuropharmacology (Institute of Experimental Medicine) |
| Participants |
Brunner, János
|
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2018-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
12.435 |
| FTE (full time equivalent) |
0.34 |
| 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 axonok közvetítik az akció potenciálokat a szinapszisokig, ahol ezek a digitális jelek analóg posztszinaptikus válaszokká alakulnak át a követő sejtek ezreiben. Annak ellenére, hogy az idegi működések közel felét ez a digitális analóg jel-átalakítás jelenti az agyban, a szabályai mégsem ismertek megfelelőképpen. Az axonokkal kapcsolatos ismereteink nagy része atipikus morfológiájú terminálisok vizsgálatán alapul, azok méretükből adódó könnyebb vizsgálhatósága miatt, mint például a gyrus dentatus szemcsesejtektől eredő szokatlanul nagy moharost axon terminálisok (GMFT). Az agyi szinapszisok többségét adó kisméretű axonokat eddig nem lehetett vizsgálni hasonló részletességű elektrofiziológiai mérésekkel. Ahogy előzetes kísérleteink bizonyítják, mára már hozzáférünk a szinapszisok többségéhez hasonló, kisméretű moharost axon terminálisokhoz (sMFT) is és mind patch clamp, mind új képalkotási eljárásokkal közvetlenül vizsgáljuk az axon működését ezekben az átlagos méretű szinapszisokban is. Fontos szempont, hogy mivel a sMFT-k és GMFT-k azonos axonokon részei, összehasonlításuk révén megtudjuk, hogy méret-függő axonális mechanizmusok hozzájárulnak-e azok egyedi fiziológiai feladataikhoz és, hogy az axonális jelfeldolgozás hasonló alapvető szabályokat követ-e a kis méretű axonokban, mint a szokatlanul nagy társaikban. E célért, megmérjük a sMFT-k aktív és passzív membrán tulajdonságait és összevetjük azokat a GMFT-k jól ismert a sajátságaival. Az eredményeink fontosak az sMFT-k a hippokampális működésben betöltött egyedi szerepének megértéséhez is. Tehát ez a pályázat egyedülálló betekintést nyújt mind az axonális működés alapvető szabályaiba, mind a hippokampusz működésébe.
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.
Mivel az axonok az idegrendszer legalapvetőbb elemei köze tartoznak, a működéseik ismerete elengedhetetlen ahhoz, hogy idővel megértsük azt, hogy az idegsejt-hálózatok, hogy hozzák létre a tudatos és egyéb idegrendszeri működéseinket. Ebben a pályázatban az ún. moharostok megértése a célunk, amelyek a gyrus dentatus principális sejtjeinek, a szemcsesejteknek az axonjai. Bár korábban az axonokat egyszerű közvetítőknek tekintettük, nagy axon struktúrákból (pl. GMFT) végzett elektrofiziológiai elvezetések a közelmúltban rámutattak arra, hogy az egyes idegsejtek hatását összetett folyamatok szabályozzák az axonjuk szintjén is. Hogy megértsük azt, hogy a szinapszisok többségét jelentő axonok működését is hasonló dinamikus és specifikus szabályok irányítják, kis méretű sMFT-ből végzünk patch clamp elvezetést. A sMFT-ket is ugyanazok az axonok alakítják ki mint a GMFT-ket, de méretük sokkal kisebb, így jobban reprezentálják az agyi szinapszisok döntő többségét és eltérő szerepet is töltenek be a hippokampusz működésében, mint óriási társaik. A közvetlen elektrofiziológia részletességére és feszültség-érzékeny képalkotó módszerek előnyeire támaszkodva, azt a hipotézist vizsgáljuk, hogy az eltérő méretű szinapszisokban eltérő aktív és passzív membrán folyamatok felelősek azok egyedi működéséért. Meghatározzuk az ionáramokat, amelyek az egyedi, de plasztikus akciós potenciál alakért felelősek ezekben a szinapszisokban és azokat is, amelyek összekapcsolják a preszinaptikus aktivitást a szinaptikus válaszokkal. Mivel a kis axon terminálisok működése egy felfedezetlen tudományos terület, gyakorlatilag minden egyes kísérletes megfigyelésünk fontos és teljesen új felfedezést eredményez.
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 pályázat révén az univerzális axonális jelátviteli szabályokba és a hippokampus működésekbe nyert egyedülálló betekintés különleges előnyt teremt a csoportunk számára alapvető idegi funkciók megismeréséhez. A hagyományos elektrofiziológiai vizsgálatok megfelelő részletességgel írták le a szomatikus, dendritikus és a szokatlanul nagy axonális membránok biofizikai jellemzőit, amelyek nélkülözhetetlenek a legbonyolultabb ismert struktúra, az emberi agy működésének megismeréséhez. Az átlagos méretű axon végződések elektrofiziológiai vizsgálata azonban a természetes környezetükben sokkal nehezebb, mivel e kis struktúrák nagysága éppen az ilyen módszerek feloldóképességének határát jelenti. Tovább-fejlesztett elektrofiziológiai eljárások alkalmazásával közvetlen elvezetéseket végezünk ilyen kis axonális struktúrákból, konkrétan a hippokampális gyrus dentatus szemcsesejtek apró axon végződéseiből. Nincs tudomásom más kutatócsoportról, ahol hasonló kísérletek zajlanának az axon terminálisok ezen fajtáján, amelyek mérete egybevág az agykérgi szinapszisok többségével. Szintén ideális kísérleti alannyá teszi ezeket a terminálisokat az a tény, hogy ugyanezen az axonon találhatóak jól-ismert óriás axon végződések is, a GMFT-k, és az ezeken korábban végzett elektrofiziológiai kísérletek sok esetben megalapozták az axonális jelátvitelről szóló ismereteinket. Ennek köszönhetően, az eddig ismeretlen kis terminálisok és a már ismert nagy terminálisok alapvető biofizikai tulajdonságait tudjuk feltérképezni hasonló kísérleti körülmények között. Emiatt, új eredményeink közvetlenül összehasonlíthatóak lesznek az eddigi ismeretanyaggal és egy könnyen általánosítható nézőpontból tekintenek rá az alapvető axon működésekre és szabályokra. A fenti alapvető idegtudományi jelentőségeken kívül, eredményeink hozzájárulhatnak olyan betegségekhez kapcsolódó idegi folyamatok megértéséhez, amelyekben szerepet játszik a hippokampusz vagy általános axon működéseket érintenek.
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 idegsejtek apró kimeneti nyúlványai, az axonok hajtják végre az idegi jelfeldolgozás jelentős hányadát és több betegség, például az epilepszia és migrén bizonyos formái hátterében is rendellenes axon működés áll. Az axonok fő feladata, hogy az idegsejtek aktivitását a digitális jelként terjedő akciós potenciál formájában nagy távolságra eljuttassák, majd analóg jelekké alakítsák azokat a nagyszámú követő sejteken alkotott szinapszisokban. Azonban az axon végződések többségének apró mérete miatt eddig nem volt lehetséges a megfelelő részletességgel feltárni működésük szabályait. Mai tudásunk javarészt a különösen nagyméretű axon végződéseken végzett kísérleteken alapul. De ezek elektromos működése eltérhet a szokványos szinapszisokétól, éppen a nagy méretükből fakadóan. Különösen fontos lenne megismerni, hogyan terjed a digitális akciós potenciál és fordítódik le analóg szinaptikus jellé. A csoportunk elmúlt években felhalmozott technikai tapasztalataira és a közelmúltban továbbfejlesztett módszerekre támaszkodva mostanra sikerült elérnünk, hogy az agyban általánosan jellemző, apró axon végződések biofizikai működéséről is megfelelő részletességű adatokat gyűjtsük. Ebben a pályázatban, ezzel a módszerrel egy olyan axon pálya működését térképezzük fel, amely rendelkezik mind nagy és kis méretű axon végződéssel. Ezáltal, nem csak eddig ismeretlen, általános axonális működési szabályokat ismerünk meg, hanem azokat közvetlenül összehasonlítjuk a nagy axon terminálisok vizsgálatával szerzett korábbi ismeretekkel. Tehát, munkánk az axon működésekkel kapcsolatos alapvető ismereteket tár fel, amelyek révén jobban megértjük a legbonyolultabb anyagi struktúra, az agyunk működését
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Axons broadcast action potential activity to synaptic terminals that translate this digital signal to analogue postsynaptic responses in thousands of follower neurons. Albeit this digital/analog conversion constitutes practically half of the primary neuronal computation in the brain, its principles remain elusive. Our knowledge about the axonal signaling comes mostly from studies of axon terminals that have unusual morphology, such as the extremely large mossy fiber terminals (GMFT) of the dentate gyrus granule cells. However, similar insightful direct electrophysiology was not possible for small axons, which constitute the large majority of synapses of the CNS. As our preliminary data demonstrate, now we gain access to single small axon MFTs (sMFT) and directly investigate the properties of axonal signaling principles in these regularly sized axon terminals using patch clamp together with the support of novel imaging methods. Because the sMFTs and GMFTs formed on the same axons, we are able to examine how size-dependent axonal mechanisms contribute to their distinct physiological functions and whether axonal signaling is governed by the same principles in the small axon terminals as in the unusually large axonal structures. For this aim, we will directly compare the better known active and passive membrane properties of the GMFTs with those of the sMFTs. Furthermore, because the synaptic functions of the sMFTs and GMFTs are segregated, our results will be also important for determining the specific contribution of the sMFTs to hippocampal functions. Thus, this proposal will provide unprecedented insights into general axonal signaling principles and hippocampal functions.
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.
Because axons are one of the most elementary components of the nervous system, the understanding of the principles of their signaling is essential for the basic understanding of how neuronal communication creates cognition and other neural functions. Here we study the axons of the hippocampal granule cells, called mossy fibers, linking the dentate gyrus and CA3 regions. Albeit axons were originally viewed as simple relay devices, recent electrophysiological studies of large axonal structures, such as the GMFT, revealed that the downstream effects of single neurons are regulated at the level their axons by complex mechanisms. To better understand whether similar dynamic and specific principles regulate the axonal and synaptic functions in the majority of terminals that are much smaller, we developed similar patch clamp techniques for the sMFTs. Small MFTs are formed on the same axons as GMFTs, but their size is equivalent of the majority of the cortical synapses and they play distinct roles in the neuronal communication between hippocampal regions. Taking advantage of the details of electrophysiology together with novel voltage-imaging methods, we will test the hypothesis that synapse-size-specific active and passive membrane properties contribute to the functional differences of sMFTs and GMFTs. We will determine the ionic currents that generate their specific spike waveforms and that serve as the functional link between the dynamic presynaptic activity and synaptic responses. Because the signaling principles in small axon terminals is a largely uncharted scientific territory, practically every result of our experiments will represent absolutely new and major discoveries.
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.
Altogether, this proposal will provide unprecedented insights into the general axonal signaling principles and hippocampal functions and places us in a unique position to answer fundamental questions concerning major neuronal functions. Conventional electrophysiology revealed sufficient details concerning the biophysical properties of somatic, dendritic and unusually large axonal membranes enabling to understand crucial aspects of neuronal information processing within the most elaborate known material structure, the human brain. However, direct electrophysiology of regular sized axon terminals in their native environment, such as in acute slice preparations, has been difficult because such small axon terminals were at the limit of the resolution of this technique. Using an improved electrophysiology we gain direct access to and obtain direct recordings from small axon terminals, specifically from the small axon terminals of the axons of the granule cells of the hippocampal dentate gyrus region. I am not aware of other research groups worldwide where similar experiments are being performed on this type of axon terminal, whose size is equivalent of the majority of the cortical synapses. A further reason, which makes the small mossy axon terminals an ideal subject for this study is that the same axons form a well-known giant axon terminal, from which many of our current fundamental knowledge about axonal signaling originated by direct recordings. Therefore, we are able to obtain essential biophysical details from the unknown small and the known large terminal types of the same axon, under the same experimental conditions. Thus, our findings can be directly related to the previously established knowledge and implicated in a more general perspective concerning the essential functions of most axon terminals. Furthermore, our findings will also help the understanding of neuronal mechanisms that may be related to diseases that either involve the hippocampus or affect axonal signaling in general.
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 thin extensions of nerve cells, called the axons, perform a major fraction of the neuronal signaling and the malfunctions of axons are involved in several diseases, such as certain forms of epilepsy and migraine. Axons transfer the all-or-none action potential signals to long distances and translate these digital signals to analog responses in the synapses that are formed on a large number of follower neurons. However, our understanding of the axonal functions has several shortcomings mostly because their small size prevented the detailed experimental investigations. The current knowledge about the electrical signaling within axons mostly derives from unusually large axon terminals, whose functions and mechanisms, however, are probably different from those of the majority of the axon terminals in our brain, which are much smaller. Specifically, we have to understand how the digital action potentials are propagated and converted to neurotransmitter release in small axonal endings. Taking advantage of our experiences with recently improved methods enabled my research group to gain insight into the electrical signaling within the small axonal endings at sufficient details, whose size is equivalent to that of the majority of axons of our brain. Using this improved methodology we will examine a type of axon that forms both small and large terminals. Therefore, we are able to determine previously unknown signaling principles in the typical sized axons and directly compare the knowledge that was established in larger axonal endings. Thus, we will contribute to general knowledge concerning the roles of axons in the workings of the most elaborated material structure: our brain
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
