Cognition (e.g. learning, memory, emotions, speech) (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Ortelius classification: Neurophysiology
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Dept. of Behavioral Sciences (Semmelweis University)
Participants
Erőss, Loránd Fabó, Dániel Szalárdy, Orsolya Ujma Przemyslaw, Péter
Starting date
2018-09-01
Closing date
2022-07-31
Funding (in million HUF)
46.318
FTE (full time equivalent)
9.45
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 alvás-specifikus neurális oszcillációk állapot-regulációban és agyi plaszticitásban játszott funkcionális jelentősége, akárcsak biomarker-jellege ígéretes területek a kurrens (kognitív és klinikai) idegtudományban. Széles körben elterjedt modellek támogatják azt az elképzelést, mely szerint számos ilyen oszcillációs mintázat a thalamus és a kéreg közötti kapcsolati hálózatban generálódik vagy ölt fiziológiás alakot. Éppen ezért a thalamocorticalis rendszer vizsgálatának egyik fő mozgatórugója az alvás-ébrenlét-függő neurális oszcillációk genezisének megértése. Az egyes oszcilláció típusok (infra-lassú, lassú, delta, theta, alfa, orsó) és altípusok (lassú és gyors alfa illetve orsó), valamint specifikus thalamus magok (alrendszerek) kapcsolata, akárcsak a kérdésnek a humán EEG kontextusában történő vizsgálata azonban mindmáig meglepően szerény eredményekkel kecsegtetett. Kutatásunk célja a humán epileptológiában használt és az (anterior) thalamus aktivitását moduláló mély agyi stimuláció/regisztráció kombinálása a klasszikus poliszomnográfiával és QEEG-vel, a NREM és REM alvásra, valamint a relaxált ébrenlétre specifikus oszcillációs mintázatok thalamocorticalis mechanizmusainak feltérképezése és esetleges humán-specifikus jegyeinek azonosítása érdekében.
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 alapvetően két pillérre épül: 1. az alvás-ébrenlét állapotokra specifikus neurális oszcilláció-típusok thalamocorticalis alrendszerekhez fűződő viszonyának tisztázása; 2. a thalamocorticalis mechanizmusoknak az emberre jellemző és EEG-vel regisztrálható neurális oszcillációs formákhoz (pl. lassú és gyors alvási orsók) való viszonyának feltérképezése. Hipotéziseink értelmében az egyes thalamus magok specifikus szerepet játszanak az EEG-ben látható oszcilláció típusok és altípusok genezisében, tovább terjedésében és frekvencia-modulációjában.
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! Tervezett kutatásunk potenciális elméleti hozadékai között kiemelkedő helyet foglalnak el az alábbiak: 1. meghatározzuk a corticalis lassú oszcilláció (0,1-1 Hz) és a thalamocorticalis delta aktivitás (1-4 Hz) közötti különbséget és viszonyt, (2) meghatározzuk a lassú és a gyors orsó közötti különbséget és viszonyt, valamint a relaxált ébrenlétben mért alfa aktivitással való esetleges kapcsolatukat. Tekintve, hogy az alvás-ébrenlét-függő neurális oszcillációk funkcionális jelentőségének felismerésétől mára eljutottunk azok célzott modulálásáig, kutatásaink nemcsak pontosabb klinikai markerek (biomarkerek) meghatározását, hanem egyben terápiás célú beavatkozások specifikációját támogathatják.
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 életjelenségek, illetve az azokkal összefüggésben álló, pszichológia állapotok alapvetően ritmikus folyamatok. Az alvást ébrenlét váltja, a csökkent éberséget fokozott éberség. Agyi ritmusaink periódusa esetenként a másodperc tört részének megfelelő időtartamú, ami a meghatározó jelentőségű idegi oszcillációk frekvenciatartományába kalauzol el bennünket. Ezek az oszcillációk kiemelt szerepet játszanak a pihentető alvás létrejöttében és az emlékeink rögzülésében, továbbá kiválóan jelzik az egyes agyi rendszerek funkcionális állapotát. Kutatásunk lehetőséget teremt arra, hogy ezen oszcillációk létrejöttét az emberi köztiagy mélyében, kezelési céllal elhelyezett mikroelektródák révén, minden eddiginél közvetlenebb módon feltárjuk, ezáltal pontosabb szerepüket megértsük, illetve befolyásolási módozataik megismerésének megágyazzunk. Tervezett munkánk során az alvás-függő oszcillációk keletkezési helyének közvetlen közelében rögzítjük az agyi elektromos aktivitást és összevetjük azt, a már jól ismert, fejbőrről mérhető agyi hullámtevékenységgel. Utóbbiak keletkezésére eddig inkább csak elképzelések állnak rendelkezésre, ugyanakkor számos formájuk és sajátosságuk szoros összefüggésben áll a tanulással, az emlékezéssel, az intelligenciával, illetve a központi idegrendszer működésének zavaraival. Korábban – szórványos kivételektől eltekintve - hasonló vizsgálatok elvégzésére csak állatkísérletekben nyílt lehetőség. Bár ezek a vizsgálatok hasznosak és fontosak, mégis többször fölmerült – saját korábbi kutatásainkban is – hogy a laboratóriumi rágcsálók és az ember agya közötti különbségek lényegesebbek annál, mintsem hogy az utóbbiról szóló tudásunkat az előbbiből levezethetnénk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The functional importance of sleep-specific neural oscillations in state regulation and brain plasticity is a promising biomarker for contemporary cognitive and clinical neuroscience. Widely accepted models suport the view that many such oscillations are generated and shaped in the network connecting the thalamust and the cortex. Therefore, one of the key elements of the study of the thalamocortical system is the understanding of the genesis of sleep- and wakefulness-dependent neural oscillations. The relationship between oscillation types (infraslow, slow, delta, theta, alpha, spindle) and subtypes (slow and fast alpha waves and spindles) and specific thalamic nuclei (subsystems) has not been thoroughly explored in the context of human EEG due to methodological limitations. The goal of our research was to combine the deep-brain stimulation/registration method used in human epileptology to modulate (anterior) thalamic activity) with classic polysomnography and QEEG, in order to map the thalamocortical mechanisms of NREM- REM- and wakefulness-specific oscillatory patterns and possible human-specific properties.
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 research is built on 2 pillars: 1) to clarify the relationship between sleep- and wakefulness-specific oscillatory patterns and thalamocortical subsystems 2) to map the relationship between thalamocortical mechanisms and human-specific oscillatory patterns registered by the EEG, such as slow and fast spindles. According to our hypotheses certain thalamic nuclei play a specific role in the generation, spread and frequency modulation of certain oscillation types.
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. Our proposed research has several potential theoretical returns: 1) we can identify the difference and relationship between cortical slow oscillations (0.1-1 Hz) and thalamocortical delta activity (1-4 Hz) 2) we identify the difference and relationship between slow and fast spindles, and their potential relationship with alpha activity registrered in wakefulness. Since science has evolved from the appreciation of the importance of sleep- and wakefulness-dependent oscillations to their targeted modulation, our research does not merely allow the identification of more precise clinical biomarkers, but also the development of therapeutic interventions.
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. Biological phenomena and the psychological states they are connected to are rhythmic phenomena. Sleep is eventually replaced by wakefulness, and low vigilance gives way to high vigilance. The periods of our brain rhythms sometimes comprises only a fraction of a second, which guides us to the frequency range of key neural oscillations. These oscillations play an important role in regenerative sleep and the fixation of our memories, and they also reflect the functional states of certain brain networks. Our research makes it possible to reveal the origin of these oscillations with unprecedented directness using therapeutic microelectrodes implanted in the human midbrain, to better understand their role and to lay the foundations of new methods which can modify them. In our proposed work we will record the electrical activity of the brain close to its place of origin, and we will compare these recordings with well-known waves recorded from the scalp. In the past, we only had vague ideas how these latter waves are generated, but we know that they are connected to learning, memory, intelligence, and the functioning of the central nervous system. Formerly - except for a few scattered studies - it was only possible to conduct similar experiments in animals. While animal research is important and useful, it has been suggested - even in our previous research - that the differences of the brains of laboratory rodents and human brains are too significant to draw direct conclusions from the observation of the former to the latter.
Final report
Results in Hungarian
A klinikai indikációval készült invazív kérgi elektrofiziológiai mérések, valamint a mélyagyi stimulációs eljárásokból származtatott thalamus-regisztrátumok potenciálisan értékes információval szolgálhatnak az alvás-ébrenlét váltakozásával összefüggő makro- és mikroállapotokról, valamint az azokra specifikus thalamocorticalis oszcillációk dinamikájáról. Az egyéni elektródakontaktok finom téri felbontással és megfelelő pontosságú anatómiai lokalizációja számottevő módszertani kihívás, de egyben kiemelkedő jelentőségű a neurofiziológiailag releváns lokális mezőpotenciálok jellemzése szempontjából. Az emberi thalamogramok elemzésének eredményei megerősítik a thalamus részvételét az alvás makro- és mikroállapotainak elkülönülésében. A kérgi leszálló impulzusoknak a thalamus aktivitására gyakorolt moduláló hatása kiemelt jelentőségű a NREM alvásra jellemző lassú oszcillációval kapcsolt thalamocorticalis oszcillációkban. Az interiktális epilepsziás kisülések, az iktális jelenségek és a fiziológiás fodrok a thalamus-aktivitás részét képezik. Ugyanakkor az alvási orsók a leszálló kérgi és a helyi thalamus eredetű hatások kettős befolyása alatt állnak, és egyben a neuroplaszticitás átmeneti fokozódására is érzékenyek. Igazolást nyert az anterior thalamus mag szerepe a vigilancia tónusos REM szakaszokban való átmeneti fokozódásakor. A jövőbeli kutatások fontos fókusza lehet a lokalizáció további, thalamus-almagok szintjén történő pontosítása a nagyfelbontású képalkotó eljárások révén.
Results in English
Clinically indicated invasive cortical electrophysiological measurements and thalamic records derived from Deep Brain Stimulation (DBS) electrodes convey potentially valuable information on the dynamics of thalamocortical oscillations peculiar to specific macroscopic behavioural states, as well as to the instantly changing microstates of sleep. A fine graded and proper anatomical definition of individual recording sites is a significant methodological challenge, but also of utmost importance in depicting neurophysiologically relevant local field potentials (LFPs). Analysis of the human thalamic records indicate the involvement of thalamic nuclei in the differentiation of wake-sleep macro- and microstates. The dominant role of cortical driving forces in shaping overall thalamic activity is of crucial importance in the NREM sleep slow oscillation-related thalamocortical oscillations. Interictal epileptic discharges (IEDs), ictal phenomena and physiological ripples are parts of the thalamic LFPs, whereas sleep spindles seem to reflect the double influence of descending cortical and local thalamic sources, being sensitive to transient increases in neuroplasticity. Anterior thalamic (ANT) mechanisms in transient increases of vigilance in the tonic episodes of REM sleep were evidenced. Further research focusing on more refined localization of thalamic contacts (including the specific involvement of different subnuclei) by means of high definition imaging tools is needed.
Péter Simor, Orsolya Szalárdy, Ferenc Gombos, Péter Przemyslaw Ujma, Zsófia Jordán, László Halász, Loránd Erőss, Dániel Fabó, Róbert Bódizs: REM Sleep Microstates in the Human Anterior Thalamus, Journal of Neuroscience, 2021
Péter Simor, Orsolya Szalárdy, Ferenc Gombos, Péter Przemyslaw Ujma, Zsófia Jordán, László Halász, Loránd Erőss, Dániel Fabó, Róbert Bódizs: REM Sleep Microstates in the Human Anterior Thalamus, Journal of Neuroscience, 2021
Péter P. Ujma, Boglárka Hajnal, Róbert Bódizs, Ferenc Gombos, Loránd Erőss, Lucia Wittner, Eric Halgren, Sydney S. Cash, István Ulbert, Dániel Fabó: The laminar profile of sleep spindles in humans, NeuroImage, 2021
Péter P. Ujma, Boglárka Hajnal, Róbert Bódizs, Ferenc Gombos, Loránd Erőss, Lucia Wittner, Eric Halgren, Sydney S. Cash, István Ulbert, Dániel Fabó: The laminar profile of sleep spindles in humans, NeuroImage, 2021
