Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Ortelius classification: Neurobiology
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Lendület Laboratory of Network Neurophysiology (Institute of Experimental Medicine)
Participants
Németh, Beáta Szabó, Gergely Veres, Judit
Starting date
2011-04-01
Closing date
2012-03-31
Funding (in million HUF)
11.168
FTE (full time equivalent)
3.20
state
closed project
Summary in Hungarian
A hippokampális EEG egyik jellemző aktivitásmintázata az ún. éleshullám, mely mai tudásunk szerint fontos szerepet játszhat egyes kognitív folyamatokban, mint pl. a memórianyomok bevésése. A széleskörű in vivo kutatások ellenére az éleshullámok 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, extra- és intracelluláris elektrofiziológiai technikákat alkalmazunk optogenetikai módszerekkel kombinálva. Mivel a principális sejtek szinkron kisülését a periszomatikus régiójukat beidegző gátlósejtek közül a parvalbumin tartalmú interneuronok tudják leghatékonyabban szabályozni, ezért elsősorban ezen interneuronok szerepét szeretnénk tisztázni az éleshullámok 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.
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. In these investigation, extra- and intracellular electrophysiological recordings will be combined with optogenetical approaches using submerged hippocampal slices. Since parvalbumin containing interneurons innervating the perisomatic region of principal cells are in the position to effectively control their synchronous discharge, we will focus our research on the functional role of these perisomatic inhibitory cells in the generation of sharp wave/ripples. Uncovering the involvement of different neuronal types in these population events would reveal the cellular mechanisms underlying synchronization of neuronal activities in physiological 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 new position dedicated to this research.
Final report
Results in Hungarian
A hippokampális EEG egyik jellemző aktivitásmintázata az ún. éleshullám, mely fontos szerepet játszik egyes kognitív folyamatokban, mint pl. a memórianyomok bevésésében. Az in vivo kutatások az éleshullámok számos sajátságát feltárták, de a háttérben álló pontos sejtszintű mechanizmusok mindmáig tisztázatlanok. Célunk volt, hogy egy in vitro modell segítségével felderítsük, miként járulnak hozzá a különböző sejttípusok ezen hálózati események kialakulásához. Vizsgálataink feltárták, hogy az éleshullámok a hippokampusz CA3 régiójában spontán keletkeznek a piramissejtek szporadikus aktivitásának a következtében. A rekurrens kollaterálisokon keresztül jelentős aktivitási szintet ér el a piramissejtek populációs aktivitása, amelynek a parvalbumin tartalmú gátlósejtek kisülése vet véget, ami mint éleshullám jelentkezik a lokális mezőpotenciálban. Ez a mechanizmus hasonló az általunk korábban feltárt gamma oszcillációk sejtszintű folyamataihoz. Kísérleteinkben továbbá tisztáztuk, hogy a CA3 régió neuronhálózata az éleshullám-aktivitási állapotból a gamma oszcillációba azáltal tud váltani, ha az idegsejtek serkenthetőbbek lesznek, ill. a köztük lévő szinaptikus kapcsolatok legyengülnek. Az aktivitásimintázatok közti ’átkapcsolást’ pl. az acetilkolin receptorainak az ingerlésse eredményezheti. A hálózati oszcillációk sejtszintű mechanizmusainak az azonosítása elősegítheti a patológiás aktivitások, mint pl. az epilepsziás rohamok kialakulási körülményeinek a megértését.
Results in English
The hippocampal EEG is often decorated with so-called sharp wave-ripple (SWR) activities that were shown to play an important role in memory consolidation. In vivo studies have revealed several features of these synchronous events, yet the underlying mechanisms are still unknown. Our aim was to uncover the contribution of distinct neuron types to SWRs using an in vitro model. We found that SWRs in the CA3 region of the hippocampal slices were emerged as a consequence of sporadic activity of pyramidal cells. Through the recurrent collaterals the activity level in the pyramidal cell population reaches a threshold, when parvalbumin containing inhibitory cells are recruited. The firing of these GABAergic cells terminates the population burst. The high frequency discharge of inhibitory cells results in a deflection in local field potential detected as a SWR. These synaptic mechanisms resemble those that were uncovered for the generation of gamma oscillations. In addition, we revealed that in CA3 the SWR activity state can be transformed into gamma oscillations by increasing the excitability within the network and, in parallel, by decreasing the synaptic strengths. Such changes in network parameters can be achieved e.g. by activation of acetylcholine receptors. Revealing the cellular mechanisms underlying the synchronous activities my help to understand the changes in neuronal networks that can produces pathological activities, including epileptiform events.
