Motor control at the level of single neurons and in a central pattern generator  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
67747
Type K
Principal investigator Wolf, Ervin
Title in Hungarian Motoros szabályozás neuronális szinten és egy központi ritmusgeneráló hálózatban
Title in English Motor control at the level of single neurons and in a central pattern generator
Keywords in Hungarian szinaptikus integráció, központi ritmusgeneráló hálózat, motoneuron, béka
Keywords in English synaptic integration, central pattern generator, motoneuron, frog
Discipline
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Department of Anatomy, Histology and Embryology (University of Debrecen)
Participants Antal, Miklós
Bácskai, Tímea
Birinyi, András
Stelescu, András
Szokol, Karolina
Wéber, Ildikó
Starting date 2007-07-01
Closing date 2011-07-31
Funding (in million HUF) 3.500
FTE (full time equivalent) 5.72
state closed project
Summary in Hungarian
Célunk a motoros szabályozás vizsgálata felnőtt béka (Rana esculenta) gerincvelői motoneuronjaiban (MN) és a béka embrió (Xenopus laevis) úszásért felelős központi ritmusgeneráló hálózatában (CPG).
A) Propriospinalis, illetve reticulospinalis axonok intraaxonalis ingerlésekor a monoszinaptikusan kapcsolt MN-ból intracellularisan elvezetett EPSP-ok nagyságai és amplitúdó eloszlásai különbözők. Vizsgáljuk és megválaszoljuk: 1) a szinaptikus kapcsolatok száma, eloszlása, hatékonysága 2) a nem-lineáris PSP szummáció jelentősége, 3) a dendritikus irregularitások szerepe, 4) pre- és posztszinaptikus tulajdonságok jelentősége.
B) A gerincvelői motoneuronokban és egyéb neurontípusokban összehasonlítjuk a szinapszisok morfofunkcionális eloszlását az általunk bevezetett morfofunkcionális mátrixok segítségével.
C) Az embrionális béka gerincvelőben az úszásért felelős CPG-t modellezzük, és megválaszoljuk az alábbi, az úszó mozgás koordinációjával kapcsolatos kérdéseket, melyek kísérletesen nem megválaszolhatók: 1) a premotor interneuronok (pIN) inhomogén eloszlásának hatása a rostro-caudalis koordinációra, 2) a MN-ok által a pIN-okra adott szinapszisok szerepe 3) a MN-ok közötti elektromos és kémiai szinapszisok szerepe.
A project megvalósítása biztosra vehető az előzmények, a nemzetközi partnerek és a megfelelő hazai kutatói háttér miatt. A project új eredményei hozzájárulnak a motoros szabályozás neuronális és neuronhálózati szintű jobb megértéséhez, és a Ph.D. hallgatók képzéséhez is.
Summary
The aim of the project is to investigate the motor control in spinal motoneurons (MN) of the adult frog (Rana esculenta) and in spinal Central Pattern Generator (CPG) for swimming in Xenopus laevis tadpoles.
A) The size and distribution of amplitudes recorded intracellularly in MNs during intraaxonal stimulation of monosynaptically coupled propriospinal and reticulospinal axons are different. We will study and answer: 1) number, distribution and efficiency of these synapses 2) importance of non-linear PSP summation 3) role of dendritic irregularities 4) relative importance of pre- and postsynaptic factors.
B) We will compare the distributions of dendritic synapses in the morphofunctional space in spinal MNs and other neurons of the nervous system by our method of morphofunctional matrices.
C) We will model the spinal CPG for swimming in the young tadpole and will answer the following questions on the coordination of swimming that cannot be investigated experimentally: 1) the effect of inhomogeneous distribution of premotor interneurons (pIN) on the rostro-caudal coordination 2) the role of MN-to-pIN synapses 3) the electrical and chemical synapses among MNs.
The fulfilment of the project is certain because of the earlier background, international collaborators and the internationally recognized domestic researchers. The new results will contribute to better understanding of motor control at single neuron and neural network level, and to further education of Ph.D. students.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A motoros kontroll mechanizmusait vizsgáltuk az egyedi motoneurok (MN) és a központi ritmusgeneráló hálózatok (KRH) szintjén békában. Hálózati szinten megalkottuk a fiatal ebihal úszásért felelős KRH-ának 3.5 mm hosszúságú populációs modelljét realisztikus számú és eloszlású neuronnal és az ismert szinaptikus kapcsolatokkal. E számítógépes modell segítségével vizsgálni és magyarázni tudtuk a serkentő interneuronok (IN) rövid felszálló axonjainak szerepét, a MN aktivitás rostro-caudalis irányú terjedését és az IN-ok által a MN-októl fogadott feltételezett szinaptikus kapcsolatok jelentőségét a tartós úszás során. A MN-ok szintjén morfofunkcionálisan összehasonlítottuk a cervicalis és lumbális szegmentumok végtagmozgató neuronjait, azok térbeli rekonstrukciói és szegmentális kábelmodelljei segítségével. Az találtuk, hogy ezek - a mellső és hátsó végtag mozgatásáért felelős – MN-ok mind morfológiailag, mind az elektromos impulzusok dendritikus ingerületvezetésében különböznek. Kifejlesztettünk és alkalmaztunk egy új módszert (morfofunkcionális mátrixok) az idegrendszer lényegesen különböző neuronjainak összehasonlítására különböző fajokban. Azt találtuk, hogy a geometriai tér neuron-specifikus dendritikus szinapszis eloszlásai ellenére a normalizált szinaptikus eloszlások hasonlóvá válhatnak az elektrotónikus és temporális térben a szóma-dendrit membrán inhomogenitásától függően, melyet inherens membrántulajdonságok, valamint a szinaptikus háttéraktivitás befolyásolhat.
Results in English
We investigated the motor control mechanisms at the level of single motoneurons (MN) and at the central pattern generator (CPG) level in frogs. At the network level we created a 3.5 mm population model of the young tadpole CPG for swimming with realistic numbers and distributions of neurons with their known synaptic connections. With this computational model, we could investigate and explain the role of short ascending axons of excitatory interneurons (IN), the conditions of head to tail sequence of MN activity and the significance of presumed MN-to-IN connections during sustained swimming. At the level MNs we morphofunctionally compared limb moving MNs of the cervical and lumbar segments of the spinal cord by using spatial reconstructions and segmental cable models of these cells. We found that these MNs, responsible for innervations of the fore- and hindlimbs, are different both morphologically and in the efficacy how their dendrites conduct electrical impulses. We developed and applied a new method (morphofunctional matrices) to compare highly different neurons of the nervous system in different species. We found that despite the neuron-type specificity of distributions of dendritic synapses in geometrical space, normalized synaptic distributions may become similar in electrotonic and temporal space depending on the inhomogeneity of the soma-dendritic membrane imposed by inherent passive membrane properties or by the background synaptic activity over the dendrites.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=67747
Decision
No





 

List of publications

  
A. Stelescu, J. Sümegi, J. Vass, E. Wolf: Morphological and electrotonic comparison of motoneurons in frog (Rana esculenta), 15th Congress of the Hungarian Anatomical Society, 11-13, June, Budapest, 2009
A. Somogyi, E. Wolf: Responses of CNS neurons to sinusoidal current inputs – a morphofunctional comparison, MITT-IBRO International Workshop, Szeged, 19-21 January, 2012
A. Somogyi, E. Wolf: Analysis of morphoelectrotonic matrices of CNS neurons: A potential approach to dendtritic architecture, A Magyar Élettani Társaság, a Magyar Anatómusok Társasága, a Magyar Biofizikai Társaság és a Magyar Mikrocirkulációs és Vaszkuláris Biológiai Társaság Kongresszusa, Debrecen, június 10-13, 2012
Wéber I, Stelescu A, Dityatev A, Wolf E, Birinyi A: Quantitative morphological description of electron microscopically identified propriospinal interneuron - motoneuron connections in the lumbar spinal cord of frog, FENS Abstr. vol. 4, 156.7, 2008
Vida E, Stelescu A, Wéber I, Dityatev A, Wolf E, Birinyi A: Quantitative morphological description of reticulospinal interneuron - motoneuron connections in the cervical spinal cord of frog, Clinical Neuroscience, Abstracts of the IBRO Workshop, p. 68, 2008
Wolf E, Soffe SR, Roberts A: Longitudinal neuronal organization and coordination in a simple vertebrate: a continuous, semi-quantitative computer model of the central pattern generator for swimming in young frog tadpoles, J. Comput. Neurosci. 27(2):291-308, 2009
Stelescu A, Vida E, Wéber I, Birinyi A, Wolf E: Segmental differences between cervical and lumbar motoneurons in the spinal cord of frogs, FENS Abstr. vol. 4, 156.5, 2008
Stelescu A, Vida E, Wéber I, Birinyi A, Wolf E: Cervical and lumbar motoneurons are morphologically and electrotonically different in frog (Rana esculenta), Clinical Neuroscience, Abstracts of the IBRO Workshop, p. 59, 2008
Stelescu A., Vass J., Sümegi J., Wolf E.: Morphological and electrotonic comparison of motoneurons and their dendritic fields in the cervical and lumbar segments of frogs, Frontiers in Systems Neuroscience. Conference Abstract: 12th Meeting of the Hungarian Neuroscience Society. doi: 10.3389/conf.neuro.01.2009.04.075, Budapest, 2009
Stelescu A., Sümegi J., Vass J., Wolf E.: Cervicalis és lumbalis motoneuronok morfológiai és elektrotónikus összehasonlítása békában (Rana esculenta), Magyar Anatómus Társaság XV. kongresszusa, Budapest, június 11-13, 2009
Szerzők: Stelescu A, Somogyi A and Wolf E: Morphoelectrotonic mapping of dendritic surfaces in different CNS neurons., Frontiers in Neuroscience. Conference Abstract: IBRO International Workshop 2010. doi: 10.3389/conf.fnins.2010.10.00268, 2010
Stelescu A., Somogyi A. & Wolf E.: Morphoelectrotonic mapping and comparison of distributions of dendritic surface in spinal motoneurons, pyramidal and purkinje cells of different species, FENS Abstr., vol.5, 192.52, 2010, 2010
Stelescu A, Sümegi J, Wéber I, Birinyi A, Wolf E: Somato-dendritic morphology and dendritic signal transfer properties differentiate between fore- and hindlimb innervating motoneurons in the frog Rana esculenta, BMC Neuroscience (revised version under review), 2011
András Birinyi: The anatomy of spinal motoneurons, In: Motor Functions of the spinal cord. (Ed. A. Birinyi). Research Signpost, pp. 1-18, 2011. ISBN:978-81-7895-512-4, 2011
András Birinyi: The organization of spinal motor networks, In: Motor Functions of the spinal cord. (Ed. A. Birinyi). Research Signpost, pp. 19-45, 2011. ISBN:978-81-7895-512-4, 2011
Ervin Wolf: Computational neuroscience approaches to motor control: Control of swimming in the young tadpole of the Xenopus laevis, In: Motor Functions of the spinal cord. (Ed. A. Birinyi). Research Signpost, pp. 47-76, 2011. ISBN:978-81-7895-512-4, 2011
Somogyi A, Stelescu A, Wolf E: Are the passive morphofunctional architectures of CNS neurons really different?, Front. Neurosci. Conference Abstract: 13th Conference of the Hungarian Neuroscience Society (MITT). doi: 10.3389/conf.fnins.2011.84.00032, 2011
Somogyi A, Stelescu A, Wolf E: Scaling properties of distributions of dendritic synapses in different CNS neurons, Acta Physiologica Abstr., vol. 202., supplement 684, 2011



Back »