 |
Glycinergic input to basal forebrain neurons; a potentially Janus-faced component of the neuronal circuitry
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129142 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Kalló, Imre |
| Title in Hungarian |
A bazális előagyi neuronok glicinerg bemenete; a neuronhálózat potenciálisan Janus-arcú komponense |
| Title in English |
Glycinergic input to basal forebrain neurons; a potentially Janus-faced component of the neuronal circuitry |
| Keywords in Hungarian |
NMDA áramok, glicin áramok, kolinerg, GABAerg, glutamaterg, bazális előagy, figyelem, alvás-ébrenlét |
| Keywords in English |
NMDA currents, glycine currents, cholinergic, GABAergic, glutamatergic, basal forebrain, attention, sleep-wake cycle |
| Discipline |
| Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 90 % | | Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Neurobiology |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Laboratory of Endocrine Neurobiology (Institute of Experimental Medicine) |
| Participants |
Demeter, Kornél
Dizon, Angela Priscilla
Pál, Balázs Zoltán
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2023-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
47.638 |
| FTE (full time equivalent) |
4.74 |
| 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 bazális előagy (BF) beidegzését felszálló kolinerg, adrenerg és glutamáterg pályákból kapja, melyek aktiváló hatást fejtenek ki az agykéreg különböző részeiben. Ez idáig csak minimális ismerettel rendelkeztünk a BF-ba érkező gátló idegpályákról, akárcsak e pályák célsejtjeiről, valamint a célsejtek funkciójára illetve az állatok viselkedésére kifejtett hatásáról. Nemrég feltérképeztük a BF különböző régióiba vetítő glicinerg neuronokat, morfológiai és funkcionális szempontból jellemeztük a kolinerg sejtekkel való kapcsolatukat (Bardóczi et al, 2017). A glicin egyike a fő gátló neurotranszmittereknek, ugyanakkor az NMDA receptoron keresztül a glutamát jelátvitelre serkentő hatással lehet. Célsejteken kifejtett hatása függ az expresszált receptoroktól, és az intracelluláris klorid koncentrációtól is. A pályázatunk célja, hogy megvizsgáljuk a glicin-jelátvitelben meghatározó szerepet játszó transzkriptumok spatiotemporális expresszióját kolinerg és nem-kolinerg célsejtekben, és elektrofiziológiai, opto- és chemogenetikai módszerekkel tanulmányozzuk a glicin hatását in vitro BF neuronokon és figyelmi-teszt vizsgálatokban. Kollaborációs partnerünk, Záborszky László, a glicin hatását patkányokban olyan kolinerg sejtekben tervezi vizsgálni, melyek orbitofrontális és vizuális kérgi kapcsolatai is EEG elvezetésben lesznek a figyelmi teszt során. Várakozásunk szerint e tanulmányok, a BF-i idegi hálózat glicinerg komponensének célsejtekkel kialakított kapcsolatáról alapvető morfológiai és funkcionális adatokat szolgálatnak, a viselkedési tesztek eredménye pedig a figyelemzavarokat vizsgáló klinikai gyakorlatban is használható lesz.
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.
A kulcsfontosságú kérdés az, hogy a glicin milyen szerepet játszik a bazális előagy-i (BF-i) neuronok kontroljában és ezáltal az állatok figyelmi funkciójában. Mivel a glicin agytörzsi neuronok neurotranszmittere, melyek közül néhány a BF-ba vetít, feltételezhető, hogy a felszálló glicinerg pályák ellentétes (gátló) hatást fejtenek ki, mint a felszálló aktiváló rendszerhez (ARAS) tartozóak és csökkentik a sejtes aktivitást a legtöbb vagy bizonyos BF-i sejtcsoportosulásban és e sejtcsoportosulásoknak megfelelő kérgi areákban. Felmerül a kérdés, hogy a nem-kolinerg sejtek is kapnak-e glycinerg afferentációt, tekintettel a figyelmi funkciókban mutatott, kolinerg sejtekétől eltérő viselkedésükre (Hangya et al, 2015). Mivel a glicin az NMDA receptorok ko-agonistája is és bizonyos körülmények között ürülhet az asztrocitákból reverz-transzport útján, a glicin fokozhatja továbbá az NMDA receptor áramokat és következésképpen részt vehet plaszticitási és tanulási folyamatokban, de patológiás változásokban is. A kísérleti terv a glicin szerepének alapvető morfológiai, funkcionális és magatartási jellemzésére törekszik tehát a BF komplex rendszerében. A tervezett elemzéstől azt várjuk, hogy meghatározza:
1) a glicin NMDA áramokra gyakorolt hatását és további, nem-kolinerg célsejtjeit
2) a glicin célsejtjeinek klorid homeosztázisát alapvetően meghatározó transzkriptumok térbeli és időbeli (PN1, PN7, PN14, PN45) kifejeződését
3) a glicinerg afferensek fotóaktiválásával illetve gátlásával kiváltható gátló szabályozás jellegét
4) a BF-ba vetítő glicinerg neuronok kemo- és optogenetikai úton történő befolyásolásával kiváltható magatartási válaszokat a figyelem (3CSRTT) vonatkozásában
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 legtöbb pszichiátriai betegséget, beleértve a bazális előagyi neuronokat súlyosan érintő kórképeket mint pl. Alzheimer-kórt, schizophréniát, Parkinson kórt stb., figyelemzavar, megváltozott éberségi, és alvás-ébrenléti állapotok jellemzik. Ez a patomechanizmusban közös elem létére, nevezetesen a bazális előagyi serkentő és gátló afferensek működésében fellépő tartós kiegyensúlyozatlanságra utal. Tekintettel a glicin ismert jótékony hatására, ami emberben a figyelem fenntartásának, a memória folyamatok és a alvás minőségének javításában nyilvánul meg, adódik a kérdés, hogy milyen célsejteken keresztül, és hogyan képes a glicin befolyásolni a bazális előagy működését. A felszálló glicinerg pálya kapcsolatrendszerének és hatásának vizsgálata megteremti annak a lehetőségét, hogy a glicinerg afferensek BF kolinerg és nem-kolinerg sejtjeivel kialakított kapcsolatainak plasztikus változásait nyomon kövessük mind élettani, mind patológiás körülmények között. A glicin jelátvitelben részt vevő receptorok, ion- és transzmitter transzporterek spatiotemporális expressziójának megismerése pedig a terápiás beavatkozásokat célzottabbá tehetik a BF-t érintő betegségekben.
Az utóbbi időben egyre nagyobb figyelem fordul a bazális előagyi gátló idegi kapcsolatok, és a bazális előagyból az agykéreg különböző részeibe felszálló kolinerg (Hangya et al, 2015, Gielow et al, 2017), GABAerg és glutamáterg input vizsgálatára (Anaclet et al, 2015; Kim et al, 2015; Xu et al, 2015), ugyanakkor a glicin ezen idegi hálózatokban játszott szerepe még kevéssé tisztázott. A jelen pályázat erősségét az adja, hogy erre a felszálló afferens rendszerre fókuszál, ami kiterjedten jelen van a bazális előagy összes régiójában, és amely transzmitter fontos szerepet játszhat a BF folyamataiban, mivel a gliáris transzporterének magas szintje a glicin szigorú szinaptikus és extraszinaptikus kontroljára utal. A korrelált fény- és elektronmikroszkópos immuncitokémia, az RNAscopos technika, és a figyelemteszt (3CSRTT) összekötése a glycinerg sejtek szelektív, kemo- és optogenetikai vizsgálatával, valamint a gliáris glicin-felvétel befolyásolása az elektrofiziológia mérések alatt együttesen komplex kép kialakítására teszi alkalmassá a pályázatot.
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.
A bazális előagy (BF) egy erősen összetett agyi régió, amelyhez számos funkció mint pl. az alvás-ébrenlét, éberségi állapot, figyelmi, motivációs és tanulási folyamatok szabályozása köthető. A BF egy heterogén, jellegzetes elrendeződést mutató idegsejtpopuláció, amelyben kolinerg, GABAerg, glutamaterg idegsejtek találhatók. E régió idegsejtjei felszálló aktiváló beidegzést kapnak az agytörzs specifikus részeiből és az élettani állapotról kivetítő idegsejtjeiken keresztül információt továbbítanak az agykéreg felé, amivel biztosítják a megfelelő viselkedési mintázatot és az agykérgi funkciók modulációját. Ez idáig csak minimális ismerettel rendelkeztünk a BF-ba érkező gátló idegpályákról, akárcsak e pályák célsejtjeiről, valamint a célsejtek funkciójára illetve az állatok viselkedésére kifejtett hatásáról. Nemrég feltérképeztük a BF különböző régióiba vetítő glicinerg neuronokat, morfológiai és funkcionális szempontból jellemeztük a kolinerg sejtekkel való kapcsolatukat (Bardóczi et al, 2017). E vizsgálati eredményekre támaszkodva, pályázati célkitűzésünk a glicin szerepének további morfológiai, funkcionális és magatartási jellemzésére irányul. A tervezett kísérletek várhatóan meghatározzák, hogy:
1) a glicin hathat-e nem-kolinerg célsejteken és kiválthat-e serkentést a célsejtekben,
2) a glicin célsejtjeiben miként változik azon gének átírása a születés utáni 1, 7, 14 és 45 napon, amelyek a glicinre adott hatás (gátló vagy serkentő) jellegét befolyásolhatják.
3) milyen hatása van agyszeletekben a BF idegsejtek közvetlen környezetében felszabadított glicinnek
4) tesztkörülmények között miként hat a glicinerg neuronok működésének befolyásolása a mozgó egerek figyelmére
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The basal forebrain (BF), receives afferents from ascending cholinergic, adrenergic and glutamatergic pathways, which have been implicated in the activation of different cortical regions. So far very little is known about inhibitory afferents to the BF, neither about the phenotype of their target cells nor the electrophysiological and behavioral effects of such incoming inhibitory pathways. Recently we have mapped the glycinergic afferents to the different subdivisions of the BF, and characterized their morphological and functional relationship with the cholinergic neurons (Bardóczi et al, 2017). Glycine is a major inhibitory neurotransmitter, but it can also facilitate glutamate neurotransmission via NMDA receptors. Its effect on target cells is dependent on the cells’ intracellular chloride concentration and the receptor(s) expressed. The aim of the current proposal is to investigate the spatio-temporal expression of transcripts critically involved in glycine signaling in target cholinergic and non-cholinergic neurons and to study the effect of glycine by using electrophysiological, chemogenetic- or optogenetic methods on the activity of BF neurons in vitro and in behaving animals. Our collaboration partner, László Zaborszky is going to study the effect of glycine on selected cholinergic neurons of rats, whose target areas in the orbitofrontal and visual cortices will be under EEG recording. These studies are expected to provide fundamental information about the morphological and functional relationship of glycinergic afferents with BF target cells, and the result of 3CSRTT tests could be used in clinical studies focusing on specific therapy for attention deficits.
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 key question is what role is played by glycine in being interaction with BF neurons and attention function. As glycine is a neurotransmitter of brainstem neurons, some of which project to the BF, such glycinergic pathways could hypothetically antagonise the function of the ascending arousal system (ARAS) and reduce the cellular activity in most or certain clusters of basal forebrain neurons and the corresponding cortical areas. The question may arise, whether non-cholinergic BF neurons also receive input from glycinergic neurons, considering that the response of non-cholinergic neurons in attention functions is markedly different from those shown by the cholinergic neurons (Hangya et al, 2015). As glycine is also a co-agonist on the NMDA receptor and released at certain conditions by astroglial cells by reversed transport, glycine could enhance NMDA currents, and participate in learning processes involving plasticity, but may also contribute to pathological changes of neuronal circuits. This proposal is expected to provide a basic morphological and functional characterization of glycine’s role in the BF. More specifically, the planned analysis is expected to determine
1) glycine’s effect on NMDA currents and its other, non-cholinergic target cells in the BF
2) the spatiotemporal (at PN1, PN7, PN14 and PN45) expression of transcripts critically influencing the chloride homeostasis of glycine’s target cells
3) the shape of inhibitory control established by photoactivating or inhibiting glycinergic afferents of BF in vitro
4) the behavioural outcome of chemo- and optogenetically influencing glycinergic input regarding the attention function tested by 3CSRTT.
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.
Attention deficits, disturbed arousal states and sleep-wake cycle characterize most of the serious psychiatric disorders including those affecting deleteriously the BF neurons i.e. Alzheimer’s disease, schizophrenia, Parkinson’s disease, Rett syndrome. This raises the possibility of a common element in the pathomechanism of these diseases i.e. an uncompensated shift in the excitation-inhibition in the BF regulatory circuits. Considering glycine’s beneficial influence on sustained attention, memory retrieval and sleep quality in humans, the question arises, at what target cells and how glycine can influence BF functions. Investigations of the connections and function of the ascending glycinergic pathway will offer us the opportunity to study specifically the plastic changes of the interaction between the glycinergic afferents and the cholinergic and non-cholinergic neurons at physiological, as well as pathological conditions. Understanding the spatiotemporal expression of receptors, ion- and transmitter transporters fundamental in glycine signalling could lead to more specific therapeutical approaches for diseases affecting the BF.
Recently, an increasing attention is payed to the role of inhibition in the operation of the BF, as well as the cholinergic (Hangya et al, 2015, Gielow et al, 2017), GABAergic and glutamatergic (Anaclet et al, 2015; Kim et al, 2015; Xu et al, 2015) input from the BF to different cortical areas, however, the potential role of glycine in these networks is still under investigated. The strength of this proposal is that it focuses on this ascending afferent system, which is widely present in the different subdivisions of the BF, together with glial transporters for glycine, which suggests a strict control over the synaptic/extrasynaptic levels of this neurotransmitter. The correlated light- and electron microscopic immunocytochemistry, the RNAscope hybridization technique, the combination of the 3CSRTT attention test with the selective, chemo- and optogenetic stimulation/inhibition of the glycinergic neurons, and inhibition of glycine uptake during the electrophysiological recordings will allow us to form a complex picture about the role of glycine in the BF.
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 basal forebrain (BF) is a highly complex brain region, which has been implicated in the regulation of sleep-wake cycle, arousal, attention, motivation, and learning processes. The BF contains a heterogeneous cell population, which show a special arrangement of cholinergic, GABAergic or glutamatergic phenotypes. The different cell types of this brain region receive ascending activating innervation from specific brain stem areas, and channel information to the cortex via projection neurons about the physiological status to ensure behavioural adaptation and modulate cognitive functions. So far very little is known about inhibitory afferents to the BF, as well as the target cells, or the electrophysiological and behavioural effects of such incoming inhibitory pathways. Recently we have mapped the glycinergic afferents to the different subdivisions of the BF, and characterized their morphological and functional relationship with the cholinergic neurons (Bardóczi et al, 2017). Based on these data, the current proposal aims to extend our knowledge about the functional and behavioral role of glycine in the BF. The planned experiments are expected to reveal
1) whether glycine can affect non-cholinergic neurons, and facilitate excitation in the BF
2) whether target cells of glycine show postnatal alterations in the expression of genes controling glycine signaling
3) the effect of glycine on target cells, if its local levels are optogenetically manipulated
4) the effect of glycine on the sustained attention of mice, if its local levels are chemo- or optogenetically manipulated
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
