 |
Neural basis of stress induced sleep disturbances
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
126879 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Acsády, László |
| Title in Hungarian |
A stressz indukálta alvászavar idegrendszeri alapjai |
| Title in English |
Neural basis of stress induced sleep disturbances |
| Keywords in Hungarian |
talamusz, agykéreg, EEG, optogenetika |
| Keywords in English |
thalamus, neocortex, EEG, optogenetics |
| Discipline |
| Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Neurobiology |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Laboratory of Thalamus Research (Institute of Experimental Medicine) |
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2019-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
20.000 |
| FTE (full time equivalent) |
0.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A megfelelő minőségű alvás nagyon fontos a tanulás és a szellemi teljesítmény szempontjából. A nyugati társadalmakban egyre elterjedtebbek az alvászavarok, melyek egyik fő oka a stressz. Kutatócsoportunk kimutatta, hogy a dorzális középvonali talamusz (dMT) kalretinin tartalmú sejtjeiben (CR+) a cFos expresszió, egy az idegi aktivitás neurokémiai jelzője, magasabb éber mint alvó, és még magasabb stressznek kitett egerek esetében. Szintén kimutattuk, hogy a CR+ sejtek optogenetikai aktivációja tartósan felébreszti az alvó állatot. Ezen pályázat központi hipotézise, hogy a stressz által kiváltott magasabb arousal szintet a dMT CR+ sejtjei közvetítik és ez a fajta arousal növekedés káros az alvási mintázat számára. Hogy hipotézisünket teszteljük, krónikus extracelluláris elvezetéseket végzünk szabadon mozgó egér dMT sejtjeiből, különféle arousal szintek mellett. A CR+ és CR- sejtek azonosítása az optikai jelölés módszerével történik. Ehhez channelrhodopszint fejeztetünk ki CR+ sejtekben CR-Cre egér törzs és AAV-DIO-ChR2-eYFP virális vektor felhasználásával. Az optikai stimulus hatására bekövetkezett tüzelési mintázat alapján soroljuk a sejteket CR+ illetve CR- kategóriába. Másodszor, hogy feltárjuk a lehetséges kauzális viszonyt a CR+ sejtek tüzelése és a megemelkedett arousal szint között, gátló opszin (SwitchR-t) vagy a gátló dizájner receptor (hM4Di-t) fejeztetjük ki CR+dMt sejtekben. Az állatokat az elalvás előtt rövid stressznek kitéve, mérjük, hogyan változik az elalvás időtartama, valamint az alvás hossza és töredezettsége ha gátoljuk a CR+ sejteket. Várakozásunk szerint, a CR+ dMT sejtek gátlásával elkerülhető lesz a stressz okozta alvási zavarok megjelenése.
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.
Kutatásunk központi kérdése, hogy a dorzális középvonali talamikus magvak (dMT) kalretinin (CR) tartalmú sejtjei szükségesek-e a normál ébrenlét kiváltásához és fenntartásához, vagy további kontextuális információt továbbítanak, ezzel segítve a megfelelő arousal és motivációs szint beállítását. Mivel a dMT és azon belül is a kalretinin sejtek aktivitása stressz érzékeny, feltételezzük, hogy ez a kontextuális információ a környezet potenciális veszély tartalmát jelzi.
Kísérlet sorozatunkban elalvás előtt stressznek kitett vagy ki nem tett egerek alvási mintázatát (EEG, mozgás) vizsgáljuk, miközben krónikus extracelluláris elvezetést végzünk CR+ és CR- talamikus sejtekből, a következő kérdésekre keresve a választ:
- Hogyan alakul a CR+ dMT sejtek aktivitási mintázata a különféle arousal szinteken?
- Mutat-e eltérést a CR+ és CR- sejtek aktivitási mintázata az arousal szintek függvényében?
- Hogyan hat a stressz az elalvás időtartamára?
- Hogyan hat a stressz az alvás folytonosságára?
- Hogyan hat a stressz az alvás teljes hosszára?
Sejt specifikus gátló fehérjéket használva a CR+ dMT sejtek aktivitásának csökkentésére, a következő kérdésre keressük a választ:
- Megakadályozza-e a stressz okozta alvás zavarok kifejeződését, a CR+ dMT sejtek aktivitásának gátlása?
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 megfelelő minőségű alvás nagyon fontos a szellemi és fizikai teljesítmény, az általános közérzet valamint hosszabb távon az egészség számára. A nyugati társadalmakban egyre növekszik az alvási zavarokkal küszködők száma, melynek egyik fő forrása a tartós környezeti és társas stressz. Mindezek mellett számos pszichiátriai kórkép alvási zavarokkal társul, tovább rontva ezzel a csökkent fizikális és mentális képességeket.
Kutatócsoportunk kimutatta, hogy a dorzális középvonali talmikus magvak (dMT) területén található kalretinin (CR+) tartalmú idegsejtek aktivitása stressz hatására megnő, valamint hogy ezen sejtek stimulálása képes tartósan felébreszteni alvó egereket. A CR+ dMT sejtek számos limbikus kérgi és kéreg alatti agyterületet beidegeznek, mely képessé teszi őket, hogy egyidőben az agy nagy területén kifejthessék hatásukat. Feltételezzük tehát, hogy ez a stressz érzékeny sejtpopuláció, fontos szerepet játszik a stressz indukált alvási zavarok kialakulásában. Pályázatunk célja, tisztázni a DMT területén található kalretinin sejtek szerepét a stressz indukált alvási zavarokban. Eredményeink segíthetnek annak megértésében, hogyan fordítja át az agy egy szituáció averzív tartalmát és annak mértékét a éberségi szint fokozására továbbá alapjául szolgálhatnak az alvászavarokat kezelő célzott orvosi terápiák kifejlesztéséhez
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.
Mindannyiunk számára ismerős lehet, hogy a hosszabb - rövidebb ideig fennálló tartós stressz nem csak a mindennapi teljesítményünket, de az éjszakai alvásunkat is károsan befolyásolja. Elalvási nehézségek, gyakori felébredések mind fizikálisan, mind szellemileg kimerítőek, már néhány nap után is. Mind a stressz, mind az alvás-ébrenlét szempontjából fontos agyterület a dorzális közpvonali talamikus magvak. Az itt található idegsejtek, melyek stresszes helyzetekben aktiválódnak ugyancsak, szükségesek bizonyos félelmi emléknyomok előhívásához. Továbbá számos ún. limbikus agyi struktúrával is kapcsolatban állnak, melyek szükségesek az érzelmi válaszok kialakításában. Kutatócsoportunk kimutatta, hogy ezen agyterület aktiválása tartós felébredést vált ki alvó egerekben, ugyanakkor még mindig nem ismert, hogyan változik e sejtek aktivitása az alvás-ébrenlét különböző szintjei során. Szerencsénkre az itt található idegsejtek neurokémiailag különböznek a környező agyterületek sejtjeitől, lehetővé téve célzott kutatásukat modern idegélettani és molekuláris-genetkiai módszerekkel.
A pályázat célja, hogy megvizsgáljuk, a molekulárisan azonosított középvonali talamikus sejtek aktivitás mintázatát normál és stressznek kitett egerek alvás-ébrenlét ciklusa során és szerepüket az alvási nehézségek kifejeződésében. Egy fényérzékeny gátló fehérjét a sejtekbe juttatva elhallgattatjuk a középvonali sejteket az elalvási szakaszban, segítve ezzel a stressz okozta alvási nehézségek kiküszöbölését. Eredményeink feltárhatják a stressz okozta alvászavarok hátterében húzódó idegi folyamatot és kiinduló pontjául szolgálhatnak az emberi alvászavarok célzott kezelésére irányuló orvosi terápiáknak.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Appropriate sleep-wake activity is necessary for learning and optimal performance in daily life. Sleep disorders are highly prevalent in modern societies and stress is one of their major causes which may results from suboptimal environmental and social factors.
Previously we found that calretinin containing neurons (CR+) in the dorsal part of the midline thalamus (dMT) show elevated cFos expression in awake compared to sleeping mice, and even higher in mice exposed to stress. We also showed that optogenetic activation of CR+ dMT neurons induce persistent awakening in sleeping animals. Here we hypothesize, that stress induced elevated arousal is mediated by CR+ dMT neurons but not by CR- thalamic neurons and that this kind of arousal have detrimental effect on sleep pattern. To test our hypothesis, first we chronically record from dMT neurons from freely behaving mice in various arousal states ranging from sleep to fearful alertness. To identify neurons as CR+ or CR-, we use optical tagging, by means of injecting AAV-DIO-ChR2-eYFP into the dMT of CR-Cre mice. Based on their discharging profile in response to optical stimulation, neurons will be considered as CR+ or presumably CR-. Secondly, to establish a causal relationship between CR+ MT firing and increased arousal, we virally express either the inhibitory opsin SwitchR or the inhibitory designer receptor hM4Di in the dMT of CR-Cre mice. We expose mice to stress before sleep and measure sleep onset, total sleep time and sleep fragmentation either with or without inhibition. We expect, that inhibiting CR+ dMT neurons will reverse stress induced sleep disturbances.
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 main question of our proposal is whether calretinin containing dMT neurons are necessary for initiate and maintain normal wakefulness, or it provides extra contextual information and serve to set the right level of alertness and motivational state. Since dMT is well known to be highly sensitive to stress among other thalamic nuclei our hypothesis is that dMT is able to signal the aversive nature of the environment for prolonged period even when the stressor is not present any longer..
By monitoring sleep-wake behavior with and without stressful conditions while recording from genetically identified individual CR+ and CR- neurons within or near the dMT, we will test the following questions:
- How CR+ dMT neuronal activity relates to various arousal states along the sleep-wake-alert wakefulness dimension.
- Is there any difference in the activity profile of CR+ and CR- neurons?
Furthermore,
- How stress prolongs sleep onset?
- How stress disrupts sleep continuity?
- How stress affects total sleep time?
- How CR+ dMT activity plays role in these processes?
Finally, using cell type specific inhibitory opsins, while recording from dMT neurons we will answer the question:
- Can restore normal sleep pattern by inhibiting CR+ dMT activity.
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.
Appropriate sleep-wake activity is necessary for optimal performance and well-being in short term and for health in the long run. Sleep disorders are increasingly prevalent in western societies and are associated with many psychiatric disorders exacerbating decreased cognitive and physical capabilities. Sleep disturbances often occur due to sustained environmental and social stress factors.
We previously identified, that calretinin containing neurons (CR+) in the dorsal part of the midline thalamus (dMT) are activated during stressful conditions and stimulation of the same neuronal pool can faithfully induce persistent awakening. Moreover, CR+ dMT neurons neurons innervate multiple key limbic cortical as well as subcortical areas, which enables them to act on large brain areas simultaneously. Therefore, it is plausible to assume, that stress sensitive neurons with such a huge capability to arouse the brain, play a crucial role in stress related sleep disturbances. In this proposal, we aim to clarify the role of a molecularly identified cell type within the thalamus in relation to stress signaling in sleep-wake behavior. Via understanding of the activity of a specific neuronal population (CR+ dMT) we may find a neural mechanism which translate the aversive nature of a situation into heightened level of arousal. Finding a possible substrate for sleep related disturbances may promote medical research targeting this thalamic area.
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.
It is a common experience, when we live in a stressful situation for shorter or longer period, its not just our daytime activities which are affected, but our nighttime sleep are also less refreshing. Difficulties to fall asleep, frequent awakening during the night, can be exhausting both mentally and physically, even after a few nights. Research focusing on stress and searching for wakening systems in the brain converge into the same brain area lying along the middle of the thalamus, the dorsal midline thalamus. This area contains neurons which are activated during fearful conditions, and also necessary to reactivate recent/remote aversive memory traces. Additionally it establishes reciprocal connections with many limbic structures necessary for emotional responses. Although our ongoing work unequivocally shows, that by activating this area one can faithfully induce awakening in sleeping mice, we still don’t know how their activity pattern relates to sleep-wake periods. Fortunately, this area is neurochemically different from surrounding brain tissue, making researchers able to selectively investigate and manipulate this specific area by modern neurogenetic approaches. In this study we will measure the activity pattern of genetically labeled midline thalamic neurons in mice during normal sleep-wake behaviour and in mice which sleep-wake behaviour altered due to stressful conditions. Using light sensitive inhibitory proteins we will silence the midline neurons in order to help stressed mice to overcome their sleeping difficulties. Our results may find a neural mechanism, how stress affect disrupted sleep and may provide a base to treat sleep disorders in humans.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
