Structural basis and subcortical modulation of theta activity in the hippocampus  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
60927
Type K
Principal investigator Gulyás, Attila
Title in Hungarian A hippokampális théta aktivitás strukturális alapja és szubkortikális modulációja
Title in English Structural basis and subcortical modulation of theta activity in the hippocampus
Keywords in Hungarian hippokampusz, agykéreg, gátlósejtek, imuncitokémia, szinkronizáció, in vivo elvezetés, juxtacelluláris elvezetés, wavelet analízis, szinaptikus fehérjék, idegsejthálózat modellek
Keywords in English hippocampus, cortex, inhibitory cells, immunocytochemistry, synchronization, in vivo recording, juxtacellular recording, wavelet analysis, synaptic proteins, network modeling
Discipline
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Laboratory of Cerebral Cortex Research (Institute of Experimental Medicine)
Participants Borhegyi, Zsolt
Káli, Szabolcs
Varga, Viktor
Starting date 2006-02-01
Closing date 2010-01-31
Funding (in million HUF) 19.200
FTE (full time equivalent) 11.50
state closed project
Summary in Hungarian
Hogyan vezet az egyes idegsejtek aktivitása az agy működéséhez? Neuroanatómiai és élettani módszerekkel a kérdés a követekző elemekre bontható: Az egyes sejtek hogyan integrálják a rájuk érkező bemeneteket és állítják elő kimenetüket? Milyen kapcsolódási szabályok alapján szerveződnek a neuronhálózatok? Hogyan szabályozódik és modulálódik a neuronhálózatok működése?
Az agykéreg aktivitását magatartás-függő EEG állapotok ? információ-feldolgozó módok ? jellemzik. Ezen aktivitási állapotok közötti átkapcsolásban kéreg alatti területek, mint például a mediális szeptum és a raphe magvak, vesznek részt. Anatómiai, in vivo élettani és farmakológiai módszereket, valamint neuronhálózat modelleket tervezünk felhasználni, hogy felderítsük a hippokampális neuronok információfeldolgozásának szabályszerűségeit, illetve a mediális szeptum és a raphe magvak aktivitásának hatását. Vizsgálataink során: 1) azonosítjuk a funkcionálisan eltérő hipokampális idegsejtekre érkező bemenetek konvergenciáját; 2) tanulmányozzuk a septo-hippokampális pálya finomszerkezetét, hogy kimutassuk, a fiziológiailag heterogén szeptális sejtek egyes csoportjai mutatnak-e célelem szelektivitást; 3) a hippokampuszba vetítő szeptális sejtek élettani és farmakológiai tulajdonságait jellemezzük in vivo; 4) megvizsgáljuk a a mediális raphe szerotonerg pálya moduláló hatását hippokampális gátlósejtekre és az EEGre in vivo, helyi és szisztémás adagolt farmakonok hatására; 5) kísérleti eredményeinket felhasználva neuronhálózat modelleket készítünk a théta aktivitás kialakulásának és modulálásának modellezésére.
Summary
How do brain functions emerge from the activity of neurons? At the level of neuroanatomy and physiology the question may be spelled out as follows: How do individual neurons integrate their inputs to generate output? What are the construction rules of the networks they form? How is the activity of networks controlled and modulated?
The activity of the cerebral cortex is characterized by behaviour-dependent EEG states - information processing modes. The alteration of these states is controlled by subcortical modulatory areas, such as the medial septum and the raphe nuclei. Combining anatomical, in vivo physiological and pharmacological experiments with neuronal network modelling techniques, we will study the rules of information processing in hippocampal neurons and the modulation of their activity by medial septal and raphe afferents. We will: 1) identify the synaptic convergence and connectivity of different types of hippocampal neurons; 2) study the fine structure of hippocampal/septal interactions, revealing possible differences in the target selection of physiologically distinct medial septal neurons 3) characterize anatomical, physiological and pharmacological properties of septo-hippocampal GABAergic neurons in vivo; 4) examine the modulating effect of the median raphe serotonergic input on the activity of hippocampal inhibitory cells and the EEG in vivo, by local and systemic drug application; 5) using our data from the experiments, neuronal network models will be constructed to study network mechanisms of the generation of the theta rhythm.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kimutattuk, hogy a szeptum és a hippokampusz között a HS sejtek szintjén reciprok gátló kapcsolat áll fent. A HS sejtek érzékelik a hippokampális aktivitás szintjét, elsősorban szeptális gátlás alatt állnak és a szeptumon kívül a hippokampusz távoli területeire is vetítenek ezáltal a szeptum és az egész hippokampusz működését összehangolják. A theta aktivitással együtt előforduló gamma aktivitás kialakításában elsősorban a PV tartalmú kosársejtek játszanak szerepet, aktivitásukat, és így a gamma aktivitást opiát receptorok útján szabályozni lehet. A szeptum és a hippokampusz kölcsönhatását vizsgálva kimutattuk, hogy a medialis septum HCN ioncsatornát es/vagy parvalbumin fehérjét kifejező gátlósejtjei vezérlik a hippocampalis theta ritmust. Részletes CA1-es hálózati modell segítségével jóslatokat fogalmaztunk meg a théta és magasabb frekvenciájú oszcillációk lokális mechanizmusaival, kölcsönhatásaival és extrahippokampális modulációjával kapcsolatban. A felszálló szerotoninerg rendszerben kimutattunk egy az eddig ismerteknél gyorsabb, glutamátot használó hatékony moduláció-típus létezését.
Results in English
We demonstrated that the reciprocal interaction between the medial septum and the hippocampus is realized at the cellular level via the HS cells. They detect the level of hippocampal activity, are under primarily septal inhibitory control and besides the septum they project to remote hippocampal areas, synchronizing the activity of this two regions. The theta concurrnet gamma activity is primarily controlled by the PV containing basket cells. These cells and thus gamma activity can be modulated via opiate receptors. Studying the interaction of t emedial septum and the hippocampus we proven that HCN/PV expressing medial septal inhibitory neurons drive the hippocampal theta rhythm. Simulations of a detailed network model of area CA1 resulted in predictions regarding the local mechanisms, interactions, and extrahippocampal modulation of theta and higher frequency oscillations. We demonstrated a quick, glutamatergic component in the ascending modulatory raphe-hippocapal serotonergic projection.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=60927
Decision
Yes





 

List of publications

  
Varga V, Losonczy A, Zemelman BV, Borhegyi Z, Nyiri G, Domonkos A, Hangya B, Holderith N, Magee JC, Freund TF.: Fast synaptic subcortical control of hippocampal circuits., Science. 2009 Oct 16;326(5951):449-53., 2009
Hangya B, Borhegyi Z, Szilágyi N, Freund TF, Varga V: GABAergic neurons of the medial septum lead the hippocampal network during theta activity., J Neurosci 29:8094-8102, 2009
Takács VT, Freund TF, Gulyás AI: Types and synaptic connections of hippocampal inhibitory neurons reciprocally connected with the medial septum, Eur.J. Neurosci 28: 148-164, 2008
Varga V, Hangya B, Kránitz K, Ludányi A, Zemankovics R, Katona I, Shigemoto R, Freund TF, Borhegyi Z.: The presence of pacemaker HCN channels identifies theta rhythmic GABAergic neurons in the medial septum, J. Physiol. 586: 3893-3915, 2008
Eyre MD; Freund TF; Gulyas AI: Quantitative ultrastructural differences between local and medial septal GABAergic axon terminals in the rat hippocampus., Neuroscience 149 537-48, 2007
Gulyas AI; Buzsaki G; Freund TF; Hirase H: Populations of hippocampal inhibitory neurons express different levels of cytochrome c, Eur J Neurosci 23:2581–2594, 2006
Acsády L, Káli S: Models, structure, function: the transformation of cortical signals in the dentate gyrus, Prog Brain Res. 163:577-99, 2007
Attila I. Gulyás, Gergely G. Szabó, Noémi Holderith, Hannah Monyer, Ferenc Erdélyi, Gábor Szabó, Tamás F. Freund, Norbert Hájos: Parvalbumin-containing fast-spiking basket cells generate the field potential oscillations induced by cholinergic receptor activation in the hippocampus in vitro, közlésre elküldve, 2010
Gergely Szabó, Noémi Holderith, Attila I. Gulyás, Tamás F. Freund, Norbert Hájos: Distinct output properties of perisomatic inhibitory cell types and their different modulation by cholinergic receptor activation in the CA3 region of mouse hippocampus, közlésre elküldve, 2010
Zemankovics R, Káli S, Paulsen O, Freund TF and Hájos N: Differences in subthreshold resonance of hippocampal pyramidal cells and interneurons: the role of h-current and passive membrane characteristics, (közlésre elküldve), 2010
Freund TF, Káli S: Interneurons, Scholarpedia, 3(9):4720, 2008
Káli Szabolcs és Acsády László: A hippokampusz-függő memória neurobiológiai alapjai, Új Kognitív Idegtudományok. (Pléh Csaba, Kovács Gyula, Gulyás Balázs, szerk. ) (megjelenés alatt), 2010
Zemankovics R; Káli Sz; Borhegyi Zs; Paulsen O; Shigemoto R; Freund T F; Hájos N: Distinct properties of Ih can explain the difference in subthreshold resonance of pyramidal cells and interneurons in the hippocampus., FENS Abstr., vol.3, A149.4, 2006, 2006
Káli Sz; Freund TF: Interneurons control activity levels and oscillations in a subtype-specific manner in models of hippocampal neurons and networks, FENS Abstr., vol.3, A119.12, 2006, 2006
V. VARGA, K. KRÁNITZ, B. HANGYA, A. DOMONKOS, T. F. FREUND, Z. BORHEGYI: Very short latency, temporally focused responses of hippocampal interneurons to the stimulation of the median raphe nucleus, Society for Neuroscience Abstracts (2007) 145.15, 2007
Hájos N; Gulyás AI; Freund TF: Modulation of cholinergically–induced fast network oscillations by a mu-opiate receptor agonist in the CA3 region of hippocampal slices, Society for Neuroscience Abstracts (2006) 796.15, 2006
Káli Sz. and Freund T.F.: A network model of hippocampal theta oscillations reproducing field potential and single unit recording data, FENS Abstr., vol. 4, 047.14,, 2008
Attila Gulyas, Norbert Hajos and Tamas Freund: Fine structure of in vitro gamma oscillations, convergence of synaptic events as a function of synchronization level, Gordon Research Conferences: Inhibition In The CNS, 2009



Back »