Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)
80 %
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Neurobiology
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Lendület Laboratory of Network Neurophysiology (Institute of Experimental Medicine)
Participants
Barsy, Boglárka Szabó, Gergely Zemankovics, Rita
Starting date
2009-04-01
Closing date
2011-03-31
Funding (in million HUF)
28.549
FTE (full time equivalent)
4.69
state
closed project
Summary in Hungarian
A hippokampális EEG egyik jellemző aktivitásmintázata az ún. éles hullám, mely mai tudásunk szerint fontos szerepet játszhat egyes kognitív folyamatokban, mint pl. a memórianyomok bevésése. A széleskörű in vivo kutatások ellenére az éles hullámok hátterében álló pontos mechanizmusok mindmáig tisztázatlanok. Kutatásaink célja, hogy egy in vitro modell segítségével felderítsük, miként járulnak hozzá a különböző sejttípusok ezen hálózati események kialakulásához. Vizsgálatainkat egér agyszeleteken végezzük, extracelluláris elvezetéseket és vizuálisan vezérelt patch-clamp technikát alkalmazunk a morfológiájuk alalpján azonosított idegsejtek tüzelési tulajdonságainak és szinaptikus bemeneteinek meghatározásásra az éles hullámok alatt. Mivel a principális sejtek szinkron kisülését a periszomatikus régiójukat beidegző gátlósejtek tudják leghatékonyabban szabályozni, ezért elsősorban ezen interneuronok szerepét szeretnénk tisztázni az éles hullámok kialakulásában. Eredményeink segíthetnek megérteni az aktivitásmintázat mögött meghúzódó sejt- és hálózatszintű mechanizmusokat mind a normál fiziológiás idegi működésben, mind az epilepsziás rohamokra jellemző ún. hiperszinkronizált állapotokban. Így a szinkronizáció alapelveinek megértése akár az epilepszia gyógyításában is új stratégiát nyithat. A projekt keretén belül szeretnénk egy új kutatói munkahelyet létrehozni illetve lehetőséget teremteni szakdolgozók és diákkörösök számára, hogy bekapcsolódhassanak a kutatásba.
Summary
Sharp wave/ripple oscillations are prominent features of hippocampal EEG activity associated with different cognitive functions including memory consolidation. Despite extensive research of sharp wave/ripple oscillations in vivo, the cellular mechanisms underlying their generation are largely unknown. Our aim is to reveal the contribution of distinct types of neurons to these network events using an in vitro model. Visually-guided patch-clamp technique combined with field recordings in submerged hippocampal slices will be applied to determine the firing properties and the synaptic inputs of anatomically-identified neurons during sharp wave/ripple oscillations. Since interneurons innervating the perisomatic region of principal cells are in the position to control their synchronous discharge, we will focus our research on the functional role of distinct types of perisomatic inhibitory cells during these network events. Uncovering the involvement of different neuronal types in sharp wave/ripple oscillations would reveal the cellular mechanisms underlying generation of these fast network events in physiological neuronal operations as well as during hyper-synchronized network states characteristic for epileptic seizures. Consequently, revealing the basic principles of synchronization might help propose new strategies in the treatment of epilepsy. To conduct this project, we would like to open a postdoctoral position and give undergraduates a chance to get involved in the research.
Final report
Results in Hungarian
A hippokampusz neuronhálózatában spontán keletkeznek az éleshullámok, amelyek kulcsszerepet játszanak a memóriafolyamatokban. Egy in vitro modellt használva feltérképeztük az egyes idegsejttípusok bemeneti és kimeneti tulajdonságait az éleshullámok alatt. Az találtuk, hogy a legaktívabb gátlósejtek parvalbumint tartalmaztak, míg a piramissejtek többsége nem tüzelt. Meghatároztuk, hogy az éleshullámok alatti tüzelési aktivitás korrelált a serkentő szinaptikus bemenettel. Farmakológiai kísérletekkel kiderítettük, hogy a parvalbumin tartalmú gátlósejtek nagyfrekvenciás kisüléséből eredő periszomatikus gátló áramok generálják a lokális mezőpotenciálban mérhető éleshullámokat. Hasonlóan, ezek a gátlósejtek felelősek a gamma oszcillációk létrehozásáért is a hippokampális agyszeletekben. Ezen túlmenően megállapítottuk, hogy a kolinerg receptorok aktivációja, amely növeli a serkenthetőséget, de csökkenti a szinaptikus kommunikáció hatékonyságát, képes a hippokampusz alapműködését, az éleshullám-aktivitást átkapcsolni gamma oszcillációvá. Az eredményeink azt mutatják, hogy az éber állatra jellemző hálózati aktivitásokat, az éleshullámokat és a gamma oszcillációt ugyan az a hippokampális neuronhálózat generálja, amely a piramissejtek és a parvalbumin tartamú gátlósejtekből áll.
Results in English
Sharp wave/ripple oscillations (SPW-Rs), that play a crucial role in memory formation, are spontaneously emerging synchronous network events in the hippocampal circuitry. Using an in vitro model, we uncovered that the input-output properties of distinct types of neurons during SPW-Rs. We found that the most active GABAergic cells were parvalbumin containing interneurons, while the vast majority of pyramidal cells was silent. Our analysis revealed that in all cell types the firing during SPW-Rs was driven by excitatory synaptic input. Pharmacological manipulations uncovered that perisomatic inhibitory currents predominantly originated from the high frequency discharge of parvalbumin containing interneurons generate the majority of the field potential that is seen as a sharp wave. Similarly, these GABAergic cells were found to generate the gamma oscillations in hippocampal slices as well. In addition, we elucidated that by cholinergic receptor activation, which increases the excitability, but reduces the efficiency of synaptic communication, the default mode of the hippocampal operation, the SPW-R state can be readily switched to gamma oscillation. Our results propose that the behaviorally relevant network activities, SPW-Rs and gamma oscillations are generated by the same neuronal circuitries in the hippocampus, comprised of pyramidal cells and parvalbumin containing interneurons.
Gulyás A.I., Szabó G.G., Ulbert I., Holderith N., Monyer H., Erdéyi F., Szabó G., Freund T.F., Hájos N.: Parvalbumin-containing fast-spiking basket cells generate the field potential oscillations induced by cholinergic receptor activation in the hippocampus, Journal of Neuroscience 30:15134-15145, 2010
Cserep C, Szonyi A, Veres JM, Nemeth B, Szabadits E, de Vente J, Hajos N, Freund TF, Nyiri G: Nitric Oxide Signaling Modulates Synaptic Transmission during Early Postnatal Development., Cerebral Cortex, 2011
Hájos N., Karlócai R.M., Szabó G.G., Németh B., Freund T.F. and Gulyás A.I.: Synaptic input of anatomically identified interneurons during sharp wave-ripple oscillations in the hippocampus in vitro., --, 2010
Káli S, Hájos N, Freund TF, Gulyás AI.: Modeling the transition between gamma and sharp wave – ripple network states in the hippocampus, MITT konferencia, 2011.01.20-22, 2011
Schlingloff D, Hájos N, Kohuš Z, Freund TF, Gulyás AI.: Reducing network size decreases sharp-wave/ripple occurrence in the CA3 region of in vitro hippocampal slices., MITT konferencia abstract, 2011.01.20-22, 2011
Events of the project
2010-03-08 13:06:12
Résztvevők változása
2009-12-07 08:58:24
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Agykéreg Kutatócsoport (MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet), Új kutatóhely: Hálózat-Idegélettan Kutatócsoport (MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet).
