Investigation of the state dependent changes of cortical sensory responses.  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
81357
Type K
Principal investigator Ulbert, István
Title in Hungarian Az agykérgi szenzoros válaszok állapot függő változásainak vizsgálata.
Title in English Investigation of the state dependent changes of cortical sensory responses.
Keywords in Hungarian agykéreg, szenzoros inger, elektrofiziológia, anatómia, lokális anyag adás
Keywords in English cortex, sensory stimulus, electrophysiology, anatomy, local drug delivery
Discipline
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Ortelius classification: Neurobiology
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Institute of Cognitive Neuroscience and Psychology (Research Center of Natural Sciences)
Participants Csercsa, Richárd
Dombovári, Balázs Gábor
Fiáth, Richárd
Grand, László
Háden, Gábor Péter
Hajdu, Botond
Horváth, Domonkos
Karmos, György
Márton, Gergely
Orosz, Gábor
Tóth, Dénes
Tóth, Emília
Tóth, Kinga
Urbán, Gábor
Wittner, Lucia
Starting date 2010-02-01
Closing date 2014-12-31
Funding (in million HUF) 26.662
FTE (full time equivalent) 20.61
state closed project
Summary in Hungarian
A szakirodalomban ellentmondó hipotézisek jelentek meg a kérgi oszcillációs állapotoknak valamint az éberségi szintnek a szenzoros kérgi feldolgozást kontrolláló hatásairól. A klasszikus thalamikus kapuzási hipotézis szerint alvásban a szenzoros feldolgozás a relé magvak szintjén gátlás alá kerül, így a kéreg nem kap bemenetet a thalamuszból. Ezzel szemben, napjainkban kimutatták, hogy a patkány szomatoszenzoros rendszerében narkózis, illetve alacsony éberségi szint alatt mind a kérgi szinaptikus, mind a sejt tüzelési aktivitás megnő az ébrenléti állapothoz viszonyítva. Az akusztikus kéreg idegsejt aktivitásában pedig olyan különbségeket találtak alvás illetve az ébrenléti állapotok között, mely valószínűleg nem a thalamikus kapuzási folyamaton keresztül érvényesül. Humán kísérletek is rámutatnak arra, hogy az alvási lassú oszcilláció fázisa modulálja - akár növelheti is - a kiváltott válaszok amplitúdóját. Előzetes eredményeink alapján felállítottunk egy hipotézist, mely szerint a thalamikus kapu mellet egy igen jelentős kérgi kapu is modulálja a szenzoros információ feldolgozását. Hipotézisünk szerint a kapuzási folyamat nem más, mint a lassú oszcilláció down-state fázisa. Kutatásaink során ezt a hipotézist kívánjuk tesztelni, valamint pontosabban meg szeretnénk ismerni a kiváltott down-state tulajdonságait. Eredményeink az információ feldolgozás kérgi szintű leírását segítik, melyeket a szenzoros protézisek fejlesztésénél lehet a jövőben felhasználni.
Summary
How cortical oscillatory and vigilance states control cortical sensory information processing is quite controversial. According to the classical thalamic gating hypothesis, relay nuclei in sleep are inhibited, thus the information does not reach cortical structures. In contrast with this view, recent results in rodents show that indeed, somatosensory input reaches the cortex in sleep, moreover the synaptic and cellular firing response is bigger during quiescent states than in wakefulness. Cortical acoustic responses during the sleep-wake cycle are not compatible with a thalamic gating mechanism. Experimental findings obtained in the human somatosensory system revealed, that during sleep, the phase of the cortical slow oscillation when sensory stimulus is presented, highly determines the amplitude of the evoked responses, which can be even bigger during sleep, than awake. Based on our previous results we hypothesize that besides the thalamic gate, there is a powerful cortical gating mechanism. According to this hypothesis the gating mechanism is similar to the down-state of the cortical slow oscillation. Wee plan to test this hypothesis in the present application and we would like to explore the detailed neuronal mechanisms of the evoked down-state. Our results will further elucidate the mechanisms of cortical information processing and aid the development of sensory prosthetics in the future.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A szakirodalomban eddig megjelent hipotézisek szerint a szenzoros jelek kapuzása a thalamusban történik, mely nagymértékben független a thalamokortikális oszcillációk fázisától. Ezzel szemben kimutattuk, hogy a patkány és a macska szomatoszenzoros rendszerében narkózis, illetve lassú hullámú alvás alatt fázisfüggően mind a kiváltott kérgi szinaptikus, mind a kiváltott sejt tüzelési aktivitás megnőhet az ébrenléti állapothoz viszonyítva. Az akusztikus kéreg idegsejt aktivitásában olyan különbségeket találtunk alvás illetve narkózis és az ébrenléti állapotok között, mely nem feltétlenül a thalamikus kapuzási folyamaton keresztül érvényesül. Humán kísérletek is rámutatnak arra, hogy az alvási lassú oszcilláció fázisa modulálja a szenzoros kiváltott válaszok amplitúdóját. Eredményeink alapján igazolható az a kiinduló hipotézisünk, mely szerint a thalamikus kapu mellett, egy igen jelentős kérgi kapu is modulálja a szenzoros információ feldolgozását. Az elmúlt kutatási periódusban bizonyítottuk, hogy a kapuzási folyamatban meghatározó szerepe van a lassú kérgi oszcillációnak, melyek fázisai alapvetően határozzák meg a kérgi szenzoros válaszokat. Kutatásaink során részletesen vizsgáltuk ezen fázisok és a szenzoros ingerek hatásának kérgi dinamikáját. Eredményeink az információ feldolgozás kérgi szintű leírásához adnak a jövőben segítséget, melyet például a szenzoros protézisek fejlesztésénél, a memória modulációjánál és az alvás stabilizálásánál lehet a jövőben felhasználni.
Results in English
Thalamic gating has been implicated in modulating sensory evoked cortical activity in an oscillation phase independent manner. In contrast with these hypotheses, we have shown in the sensory system of the rat and cat under anesthesia and natural sleep, that cortical origin slow oscillation phases considerably modulate sensory responses. This modulation seems to be independent from, or addition to the thalamic gating and substantiates a cortical gate utilized in deep sleep and in anesthesia. In the scope of this research we have shown that at the cortical level, during slow oscillation, the phases of the ongoing slow waves has a leading role in the generation of evoked synaptic and firing activity. Our results will be useful in unraveling the basic neural mechanisms of cortical sensory information processing, it will aid sensory prosthetics, and may help modulating memory performance and also aid sleep disorders.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81357
Decision
Yes





 

List of publications

  
Slézia A, Hangya B, Ulbert I, Acsády L.: Phase advancement and nucleus-specific timing of thalamocortical activity during slow cortical oscillation., JOURNAL OF NEUROSCIENCE, 31(2):607-17., 2011
Stefanics G, Hangya B, Hernádi I, Winkler I, Lakatos P, Ulbert I.: Phase entrainment of human delta oscillations can mediate the effects of expectation on reaction speed., JOURNAL OF NEUROSCIENCE, 30(41):13578-85., 2010
Csercsa R, Dombovári B, Fabó D, Wittner L, Eross L, Entz L, Sólyom A, Rásonyi G, Szucs A, Kelemen A, Jakus R, Juhos V, Grand L, Magony A, Halász P, Freund TF, Maglóczky Z, Cash SS, Papp L, Karmos G, Halgren E, Ulbert I.: Laminar analysis of slow wave activity in humans., BRAIN, 133(9):2814-29., 2010
Grand L, Wittner L, Herwik S, Göthelid E, Ruther P, Oscarsson S, Neves H, Dombovári B, Csercsa R, Karmos G, Ulbert I.: Short and long term biocompatibility of NeuroProbes silicon probes., JOURNAL OF NEUROSCIENCE METHODS, 189(2):216-29., 2010
Grand L, Pongrácz A, Vázsonyi E, Márton G, Gubán D, Fiáth R, Kerekes BP, Karmos G, Ulbert I, Battistig G.: A novel multisite silicon probe for high quality laminar neural recordings., SENSORS AND ACTUATORS A, 166(1):14-21., 2010
Seidl K, Torfs T, De Mazière PA, Van Dijck G, Csercsa R, Dombovari B, Nurcahyo Y, Ramirez H, Van Hulle MM, Orban GA, Paul O, Ulbert I, Neves H, Ruther P.: Control and data acquisition software for high-density CMOS-based microprobe arrays implementing electronic depth control., BIOMEDIZINISCHE TECHNIK/BIOMEDICAL ENGINEERING (Berlin). 55(3):183-91., 2010
Fiáth, R.; Kerekes, B. P.; Ulbert, I.: Laminar analysis of slow wave activity in rat somatosensory cortex., MITT 2011, Budapest, 2011
Somogyvári, Z.; Wittner, L.; Ulbert, I.; Érdi, P.: Membrane potential reconstruction, based on extracellular potential measurements., MITT 2011, Budapest, 2011
Barthó, P.; Slézia, A.; Mátyás , F.; Ulbert, I.; Acsády, L.: Local spindling in thalamus during cortical slow oscillation., MITT 2011, Budapest, 2011
Tihanyi, B. T.; Hangya, B.; Entz, L.; Fabó, D.; Erőss, L.; Wittner, L.; Jakus, R.; Varga, V.; Freund, T. F.; Ulbert, I.: Complex cortical activity during human slow wave sleep revealed by information theory., MITT 2011, Budapest, 2010
Horváth, D.; Fiáth, R.; Acsády, L.; Neves, P. H.; Karmos, G.; Ulbert, I.: Thousand-channel electrode system to investigate thalamocortical interactions., MITT 2011, Budapest, 2011
Dombovári, B.; Seidl, K.; Herwik, S.; Torfs, T.; Grand, L.; Csercsa, R.; Paul, O.; Neves, H. P.; Ruther, P.; Ulbert, I.: Electrophysiological recordings with active microprobe arrays., MITT 2011, Budapest, 2011
Csercsa, R.; Magony, A.; Ulbert, I.: WaveSolution: a software for analyzing brain signals derived by multielectrodes., MITT 2011, Budapest, 2011
Barthó P, Ulbert I, Acsády L.: Thalamocortical interactions in first- and higher order thalamic nuclei., IBRO 2010, Pécs, 2010
Fiáth R, Horváth D, Grand L, Wittner L, Dombóvári B, Karmos G, Ulbert I, Csercsa R.: Laminar distribution of the spontaneous multiunit activity in the cat auditory cortex during slow wave sleep., IBRO 2010, Pécs, 2010
Dombóvári B, Seidl K, Herwik S, Torfs T, Grand L, Csercsa R, Paul O, Neves HP, Ruther P, Ulbert I.: Acute recordings using microelectrode arrays with electronic depth control., IBRO 2010, Pécs, 2010
Horváth D, Grand L, Wittner L, Dombóvári B, Kisban S, Herwik S, Ruther P, Neves HP, Karmos G, Ulbert I.: Long term implantation of silicon-based micro probe arrays., IBRO 2010, Pécs, 2010
Fiáth R, Horváth D, Grand L, Wittner L, Dombovári B, Csercsa R, Karmos G & Ulbert I.: Layer specific distribution of spontaneous multiunit activity in the cat auditory cortex in sleep and wakefulness., FENS 2010, Amsterdam, 2010
Dombovari B, Seidl K, Herwik S, Torfs T, Grand L, Csercsa R, Paul O, Neves HP, Ruther P & Ulbert I.: In vivo validation of microelectrode arrays with electronic depth control for acute recordings., FENS 2010, Amsterdam, 2010
Csercsa R, Ulbert I.: Wave propagation in variously connected neuronal network models., FENS 2010, Amsterdam, 2010
Chan AM, Baker JM, Eskandar E, Schomer D, Ulbert I, Marinkovic K, Cash SS, Halgren E.: First-Pass Selectivity for Semantic Categories in Human Anteroventral Temporal Lobe, JOURNAL OF NEUROSCIENCE, 2011 Dec 7;31(49):18119-18129., 2011
Hangya B, Tihanyi BT, Entz L, Fabó D, Erfss L, Wittner L, Jakus R, Varga V, Freund TF, Ulbert I: Complex propagation patterns characterize human cortical activity during slow-wave sleep., JOURNAL OF NEUROSCIENCE, 2011 Jun 15;31(24):8770-9., 2011
Keller CJ, Bickel S, Entz L, Ulbert I, Milham MP, Kelly C, Mehta AD: Intrinsic functional architecture predicts electrically evoked responses in the human brain., PNAS. 2011 Jun 21;108(25):10308-13., 2011
Somogyvári Z, Cserpán D, Ulbert I, Érdi P.: Localization of single-cell current sources based on extracellular potential patterns: The spike CSD method, EUROPEAN JOURNAL OF NEUROSCIENCE, 36(10):3299-313., 2012
Seidl K, Schwaerzle M, Ulbert I, Neves HP, Paul O, Ruther P.: CMOS-Based High-Density Silicon Microprobe Arrays for Electronic Depth Control in Intracortical Neural Recording–Characterization and Application, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS 21:(6) pp. 1426-1435., 2012
Rovo Z, Ulbert I, Acsady L: Drivers of the Primate Thalamus, JOURNAL OF NEUROSCIENCE 32:(49) pp. 17894-17908., 2012
Heja L, Nyitrai G, Kekesi O, Dobolyi A, Szabo P, Fiath R, Ulbert I, Pal-Szenthe B, Palkovits M, Kardos J.: Astrocytes convert network excitation to tonic inhibition of neurons, BMC BIOLOGY 10:26, 2012
Battistig G, Grand L, Karmos G, Payer K, Pongrácz A, Ulbert I, Vázsonyi É.: Eljárás CMOS technológiába integrálható, egykristályos Si alapú, nedves kémiai marással készített, párhuzamos oldalfalakkal és lekerekített élekkel határolt extracellulár, P0900774, 2012
Tóth E, Entz L, Fabó D, Keller C, Bickel S, Kozák L, Erőss L, Ulbert I, Mehta A.: Pathological and functional network connectivity analysis in the human brain using single pulse electrical stimulation, IBRO International Workshop 2012, Szeged, 2012
Tóth E, Entz L, Keller C, Bickel S, Erőss L, Ulbert I, Mehta A.: Pathológiás és fiziológiás hálózatok kapcsolatainak vizsgálata kortikális kiváltott válaszelemzéssel, Kálmán Erika Doktori Konferencia, Mátraháza, 2012
Fiáth R, Kerekes B, Karmos G, Ulbert I.: Laminar analysis of the slow oscillation in rat somatosensory cortex under ketamine/xylazine anesthesia., IBRO International Workshop 2012, Szeged, 2012
Fiáth R, Horváth D, Kerekes BP, Acsády L, Neves HP, Ulbert I.: Investigation of somatosensory thalamocortical interactions in the anesthetized rat using silicon probes with electronic depth control., 8th FENS Forum of European Neuroscience, Barcelona, 2012
Fiáth R, Ulbert I, Horváth D, Kerekes BP, Beregszászi P, Karmos G, Aarts AA, Ruther P, Neves HP.: High channel count neural probes with electronic depth control, Neuroscience 2012, Society for Neuroscience, 42nd Annual Meeting, New Orleans, 2012
Ulbert I, Fiáth R, Karmos G, Horváth D, Kerekes BP, Aarts AA, Ruther P, Neves HP.: Measuring thalamocortical dynamics with high channel count electronic depth control probes, Neuroscience 2012, Society for Neuroscience, 42nd Annual Meeting, New Orleans, 2012
Fiáth R, Kerekes B, Karmos G, Ulbert I.: Laminar analysis of the slow cortical rhythm in rat somatosensory cortex under ketamine/xylazine anesthesia., PhD Tudományos Napok 2012, Budapest, 2012
Fiáth R, Horváth D, Kerekes B, Aarts AA, Ruther P, Neves HP, Ulbert I.: Talamokortikális dinamika vizsgálata sok-kontaktusú elektronikus mélységszabályozós elektródával, Kálmán Erika Doktori Konferencia, Mátraháza, 2012
Fiáth R, Kerekes B, Karmos G, Ulbert I.: A lassú kérgi ritmus lamináris analízise patkány szomatoszenzoros kérgében ketamin-xilazin altatás alatt, Együttműködés a jövőért – A Pázmány Péter Katolikus Egyetem és a Semmelweis Egyetem multidiszciplináris PhD konferenciája, Budapest, 2012
Horváth D, Fiáth R, Ulbert I, Karmos G.: Interaction of acoustically and MGB stimulation elicited auditory cortical evoked responses in the cat, IBRO International Workshop 2012, Szeged, 2012
Horváth D, Fiáth R, Ulbert I, Karmos G.: Interactions of auditory and thalamic electrical stimulation elicited auditory cortical evoked responses in the cat, 8th FENS Forum of European Neuroscience, Barcelona, 2012
Ulbert I.: Slow sleep oscillations, ESF-HAS Workshop: Brain oscillations in health and disease, Budapest, 2012
Miles R, Blaesse P, Huberfeld G, Wittner L, Kaila K.: Chloride homeostasis and GABA signaling in temporal lobe epilepsy, pp: 481-490 in: Noebels J, Avoli M, Rogawski MA, Olsen RW, Delgado-Escueta AV. Jasper's Basic Mechanisms of the Epilepsies. Oxford University Press, Oxford, 2012
Dombovari B, Fiath R, Kerekes B, Toth E, Wittner L, Horvath D, Seidl K, Herwik S, Torfs T, Paul O, Ruther P, Neves H, Ulbert I: In vivo validation of the electronic depth control probes, BIOMEDIZINISCHE TECHNIK, 2013
Pongrácz A, Fekete Z, Márton G, Bérces Zs, Ulbert I, Fürjes P: Deep-brain silicon multielectrodes for simultaneous neural recording and drug delivery., SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL 189: pp. 97-105., 2013
Hajos N, Karlocai MR, Nemeth B, Ulbert I, Monyer H, Szabo G, Erdelyi F, Freund TF, Gulyas AI: Input-Output Features of Anatomically Identified CA3 Neurons during Hippocampal Sharp Wave/Ripple Oscillation In Vitro., JOURNAL OF NEUROSCIENCE 33:(28) pp. 11677-11691., 2013
Fiáth R, Beregszászi P, Ulbert I: Two distinct origin of the active phases of the slow cortical rhythm in the somatosensory cortex of the ketamine-xylasine anesthetized rat, SfN 2013, San Diego Convention Center, 111 Westharbordrive, San Diego, CA92101, USA, 2013
Fiáth R, Beregszászi P, Karmos G, Horváth D, Kerekes BP, Aarts AA, Ruther P, Neves HP, Acsády L, Ulbert I.: Spatiotemporal dynamics of the slow oscillation in the cortex and thalamus of the anesthetized rat., V. Dubrovnik Conference on Cognitive Science, Dubrovnik, Horvátország, 2013
Beregszászi P, Fiáth R, Acsády L, Ulbert I.: Characterization of single-unit activity recorded with high channel count electronic depth control probes in different thalamic nuclei of the anesthetized rat, MITT 2013, Budapest, 2013
Fiáth R, Karmos G, Horváth D, Kerekes BP, Aarts AA, Ruther P, Neves HP, Acsády L, Ulbert I.: Investigation of the thalamocortical slow oscillation in the anesthetized rat with high channel count electronic depth control probes, MITT 2013, Budapest, 2013
Barto P, Slezia A, Matyas F, Faradzs-Zade L, Ulbert I, Harris KD, Acsady L: Ongoing Network State Controls the Length of Sleep Spindles via Inhibitory Activity, Neuron. 2014 Jun 18;82(6):1367-79. doi: 10.1016/j.neuron.2014.04.046., 2014
Hofer KT, Kandrács Á, Ulbert I, Pál I, Szabó C, Héja L, Wittner L: The hippocampal CA3 region can generate two distinct types of sharp wave-ripple complexes, in vitro, Hippocampus. 2015 Feb;25(2):169-86. doi: 10.1002/hipo.22361. Epub 2014 Sep 25., 2014
Dombovari, Fiath R, Kerekes B, Toth E, Wittner L, Horvath D, Seidl K, Herwik S, Torfs T, Paul O, Ruther P, Neves H, Ulbert I: In vivo validation of the electronic depth control probes, BIOMEDIZINISCHE TECHNIK 59:(4) pp. 283-289. (2014), 2014
Entz L, Toth E, Keller CJ, Bickel S, Groppe DM, Fabo D, Kozak LR, Eross L, Ulbert I, Mehta AD: Evoked effective connectivity of the human neocortex, HUMAN BRAIN MAPPING 35:(12) pp. 5736-5753. (2014), 2014
Karlocai MR, Kohus Z, Kali S, Ulbert I, Szabo G, Mate Z, Freund TF, Gulyas AI: Physiological sharp wave-ripples and interictal events in vitro: what's the difference?, BRAIN 137:(2 (Feb)) pp. 463-485. (2014), 2014
Keller CJ, Honey CJ, Entz L, Bickel S, Groppe DM, Toth E, Ulbert, Lado FA, Mehta AD: Corticocortical evoked potentials reveal projectors and integrators in human brain networks, JOURNAL OF NEUROSCIENCE 34:(27) pp. 9152-9163. (2014), 2014
Márton G, Bakos I, Fekete Z, Ulbert I, Pongrácz A: Durability of high surface area platinum deposits on microelectrode arrays for acute neural recordings, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-MATERIALS IN MEDICINE 25:(3) pp. 931-940. (2014), 2014
Keller CJ, Honey CJ, Mégevand P, Entz L, Ulbert I, Mehta AD: Mapping human brain networks withcortico-ortical evoked potentials, PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS ROYAL SOCIETY OF LONDON BIOLOGICAL SCIENCES 369:(1653) Paper 20130528. (2014), 2014
Horváth D, Fiáth R, Wittner L, Ulbert I, Karmos G: Evoked responses elicited by acoustic and MGB electrical, IBRO 2014 Bebrecen, 2014




 

Events of the project

  
2017-09-12 08:31:26
Résztvevők változása
2014-10-30 10:09:21
Résztvevők változása
2013-03-29 09:25:43
Résztvevők változása
2011-05-10 21:06:34
Résztvevők változása



Back »