A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A neuromodulátor rendszerek fontos szerepet játszanak különböző fiziológiás és patológiás folyamatokban, de pontos funkcójuk intenzív kutatás ellenére sem teljes mértékben tisztázott. Ez valószínűleg a rendelkezésre álló metodikák korlátoltságával magyarázható. A farmakológiai módszerek hatása bizonyos esetekben specifikusnak mondható, de a fiziológiás transzmitter leadástól eltérő időskálákon fejti ki hatását. Az elektromos ingerlés sokkal jobb temporális felbontással rendelkezik ugyan, viszont neurokémiai specificitása gyér, ugyanis nem tesz különbséget különboző sejtek vagy rostok között. Ezek a korlátok az újonnan kidolgozott optogenetikai technológia segítségével áthidalhatók, ugyanis ezáltal lehetőség nyílik kolinerg és szerotoninerg neuronok specifikus és milliszekundum precizitású serkentésére vagy gátlására. Célunk feltárni a szaglókéreg kolinerg és szerotoninerg neuromodulációjának szerepét, ennek celluláris és hálózati mechanizmusait. Erre a célra multidiszciplináris eszközöket fogunk használni beleértve az optogenetikát, sokcsatornás egysejtaktivitás regisztrálást viselkedő állatokban, illetve páros patch clamp regisztrációkat szövetszeleten, morfológiailag azonosított neuronokból. Megvizsgáljuk az acetilkolin- és szerotonin-leadás serkentésének vagy csökkentésének hatását éber állatok szaglókérgi neuronjainak szenzoriális válaszában illetve viselkedésében. A regisztált szenzoros modulációk celluláris és hálózati mechanizmusait in vitro elektrofiziológiai módszerekkel határozzuk meg. A várható eredmények segítségével pontosabb rálátást szerezhetünk az agykérgi neuromoduláció mechanizmusaira illetve ennek szerepére a szenzoriális információfeldolgozásban.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kérgi kolinerg és szerotoninerg neuromoduláció vizsgálata az alábbi kérdéseket veti fel: Miként befolyasolja a kolinerg es szerotoninerg neuromoduláció a szaglókéreg neuronjainak szenzoros válaszait? Mi lehet ennek a neuromodulációnak a hatása szenzoriális teljesítményre? Mely sejtek közvetítésével valósul meg ez a hatás? Melyek a celluláris, szinaptikus és hálózati mechanizmusai a modulációnak?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Közismert a neuromodulátor rendszerek fontos szerepe különböző fiziológiás és pathológiás folyamatokban, de annak ellenére, hogy számos vizsgálat törekedett funkciójuknak sejtes szintű folyamatait tisztázni, a kolinerg és szerotoninerg neuromoduláció pontos hatásmechanizmusai széleskörű kutatás ellenére sem ismertek. Az újonnan kidolgozott optogenetikai technika egyedülálló neurokémiai specificitásának és időbeni felbontásának köszönhetően a kolinerg és szerotoninerg neuromoduláció szenzoriális funkciókban játszott szerepét vizsgálhatjuk eddig lehetetlen módon. A hatások mögött álló celluláris és hálózati mechanizmusokat in vitro vizsgáljuk páros patch clamp technikát kombinálva optogenetikai és farmakológiai módszerekkel azonosított neuronokból. Így azonosítani szeretnénk a kolinerg és szerotoninerg neuromoduláció célsejtjeit a szaglókéregban. A kolinerg és szerotoninerg neuromoduláció behatóbb ismerete alapkutatási jelentőségén kívül fontos lehet hatékonyabb terapeutikus stratégiák kidolgozásában olyan neurológiai és pszihiátriai rendellenességek számára, amelyben ezek a rendszerek fontos szerepet játszanak.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az állatok viselkedése rugalmas idegrendszerüknek köszönhetően optimálisan alkalmazkodott az állandóan vátozó környezetükhöz. A szenzoros rendszerek agyi reprezentációt alkotnak környezetünkről. Érzeteink minőségét, illetve egy bizonyos érzet létrejöttét hangulatunk és figyelmi állapotunk nagyban befolyásolja, ez utóbbiak viszont a agyunk specifikus neuronhálózatai által felszabadított kémiai anyagok -neuromodulátorok- szabályzása alatt állnak. A neromodulátor rendszerek kóros működése súlyos viselkedésbeli és neurológiai zavarokat okozhat, mint például anxietás, depresszió, autizmus vagy Alzheimer kór. Számos olyan vegyszer ismert, ami képes befolyásolni a neuromodulátor rendszereket és ezeket úgy gyógyszerként (antidepresszaánsok), mint kábítószerként (pl. LSD), vagy tanulódrogként széleskörűen használják. A neuromodulátor rendszerek fontos szerepe elengedhetetlenné teszi pontos működésük beható ismeretét, de az ezt célzó kutatások sikerét a befolyásolásukat célzó eszközök hiánya korlátozta. Jelen kutatás két fontos neuromodulátor: az acetilkolin és a szerotonin szerepét véli tisztázni agykérgi szenzoros információfeldolgozásban egy új módszer, az optogenetika segítségével, amely lehetővé teszi, hogy e két neuromodulátor felszabadulását specifikusan és rendkívül gyorsan csökkentsük vagy növeljük viselkedő állatokban. Az eredményeink/megfigyeléseink/észlelt hatások celluláris mechanizmusait elektrofiziológiai módszerekkel fogjuk tisztázni szövetszeleten. Eredményeink segítségével nagyobb rálátást kaphatunk neuromodulációról általában és két kiemelt neuromodulátor szerepéről a szaglásérzetek agykérgi proceszálásáról.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Neuromodulatory systems are key players in a wide variety of physiological and pathological processes, yet their function is poorly understood despite intense research. This is most likely due to the limitations of the methods used to study them. Pharmacological manipulations can offer relative specificity but act on timescales different to endogenously released neurochemicals, on the other hand, electrical stimulation has no clear selectivity for any particular neuronal type. To transcend the limitations of previous studies, we will employ new optogenetic techniques that will provide access to cholinergic and serotonergic neurons with high neurochemical selectivity and high temporal precision. The goal of this project is to understand the cellular, synaptic and network rules that govern the cholinergic and serotonergic neuromodulation of sensory processing in the anterior piriform cortex. This will be achieved by using a multidisciplinary approach that includes optogenetics combined with large neuronal ensemble recordings in awake behaving animals as well as somatic single and paired recordings in brain slices followed by post hoc morphological reconstructions. The effects of stimulating and silencing cholinergic and serotonergic neurotransmission in awake behaving animals will be tested on odorant evoked activity of anterior piriform cortex neurons and behavioural performance respectively. The cellular, synaptic and network effects of these modulations will be dissected using in vitro techniques. The results will further our understanding of the function and mechanisms of cortical neuromodulation and its involvement in sensory processing.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The present proposal aims to understand the role of cortical neuromodulation in the olfactory system focusing on two neurochemicals: acetylcholine and serotonin. We will answer the following specific questions: How does cholinergic and serotonergic neuromodulation affect olfactory responses of anterior piriform cortex neurons? What is the effect of this modulation on sensory performance of behaving animals? Which are the cellular targets of this modulation? What are the cellular, synaptic and network mechanisms governing this modulation?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Neuromodulatory systems have long been involved in a wide variety of physiological and pathological processes, yet their function is poorly understood despite intense research. Due to the improved specificity and temporal precision of neuromodulatory control that will be achieved using novel optogenetic techniques, the experiments proposed will provide definitive information on the roles of acetylcholine and serotonin in modulating sensory responses in a way not previously possible with traditional techniques. The underlying cellular and network mechanisms will be elucidated using in vitro techniques, where simultaneous recording from multiple identified neurons under direct optogenetic and/or pharmacological control can unravel the cellular targets of and receptors involved in cortical cholinergic and serotonergic neuromodulation. Ultimately, this elucidation of basic acetylcholine and serotonin functions should facilitate the design of better therapeutic strategies for psychiatric and other conditions in which the cholinergic or serotonergic systems are implicated.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Animal behaviour has optimally been adapted to a constantly alternating environment due to a flexible nervous system. The surrounding world is represented in the brain by sensory systems. The quality of our sensory experience or our ability to even perceive some stimuli at all can depend on our internal state, mood or level of attention, all of which are under the control of specific chemicals called neuromodulators. Dysfunction of these chemicals can lead to severe behavioural and neurological disorders like anxiety, depression, autism and Alzheimer’s disease. Moreover, some substances interfering with these systems are being used as therapeutic agents (e.g. antidepressants), recreational drugs (e.g. LSD) or even cognitive enhancers. Given the extraordinary importance of these neuromodulatory chemicals, understanding their function is of the uttermost importance, yet some aspects relating to their exact function have remained elusive despite intense research, mostly because of the inability to precisely and specifically control them. Here we propose to study the role played by two relevant neuromodulators (acetylcholine and serotonin) in cortical sensory processing using a novel method called optical genetics (optogenetics) which will enable us to control the release of these substances specifically and with unprecedented temporal precision in behaving animals. The cellular mechanisms underlying our results will then be unravelled using in vitro electrophysiological techniques. The results could further our understanding of neuromodulation in general and the role played by two important neuromodulators in the cortical processing of olfactory (i.e. smell) information.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Annak ellenére, hogy neuromodulator rendszerek (patho)fiziológiai szerepei közismertek, ezek mechanizmusai kevésbé ismertek. Ezért kísérleteinkben optogenetikai és elektrofiziológiai ezsközöket kombinálva vizsgáltuk a fiziológiás szerotonin leadás szenzoros hatásait, illetve a kolinerg neuromoduláció hatását ritmukus kérgi aktivitásra. Azt találtuk, hogy a szerotoninerg neuronok szelektív stimulációja a szaglókéreg spontán hatását csökkenti, viszont szagingerekre adott válaszát nem befolyásolja. A jelenség funkcionális relevanciája valószínűleg a jel/zaj arány növelésében rejlik. Eredményeink mechanizmusának megfejtése érdekében végzett in vitro kísérleteinkből az derült ki, hogy a szaglókérgi gyorsan tüzelő interneuronok aktivitása fokozódott, regulárisan tüzelő neuronoké pedig csökkent. Az afferens és asszociációs útvonalak szerotonin érzékenysége eltérő.
A koleninerg neuromoduláció ritmusos kérgi aktivitásban betöltött szerepét vizsgálva fény derült arra, hogy ez szerepet játszhat az alvási lassú hullámok ritmicitásának szabályzásában. Altatott állatok kérgi neuronjainak tüzelése, illetve a kérgi lokális mezőpotenciálok lassú hullámai megváltóztak muszkarinikus kolinerg receptorok blokkolásának hatására. Túlélő agykérgi szeletekben viszont, amelyeket kontroll körülmények között nem jellemzi spontán ritmikus aktivitás a kolinerg receptorok aktivációja az altatás és alvás alatt jelentkező lassú hullámok megjelenését eredményezte. Ezt az aktivitást két fiziológiai paramétereiben eltérő ötödik rétegi piramis sejt hozza létre.
kutatási eredmények (angolul)
Although the (patho)physiological roles of neuromodulatory systems are well known their mechanisms have remained elusive. Thus we used a combination of optogenetic, pharmacological and electrophysiological experiments to reveal the effects of physiologically released serotonin in sensory function and the effects of cholinergic neuromodulation on rhythmic neocortical activity. We found that selectively activating serotonergic neurons decreases the spontaneous, but not the odor-evoked firing of neurons in the olfactory cortex. This might have important functional implications in sensory coding. Our in vitro experiments have shown that the activity of a subset of fast-spiking interneurons is increased, and of principal neurons decreased, respectively by serotonergic stimulation. Afferent and associational pathways are differently affected by serotonin.
When monitoring the effect of cholinergic neuromodulation on rhythmic cortical activity we found that this might affect the cortical slow oscillation characterizing sleep and anesthesia. Neuronal firing during UP states and slow waves recorded in neocortical local field potentials are changed upon the blockade of cholinergic receptors.
Guillaume P. Dugué, Magor L. Lörincz, Sara Matias , Patricia A. Correia, Eran Lottem , Enrica Audero, Clément Léna & Zachary F. Mainen: Optogenetic recruitment of dorsal raphe serotonergic neurons 2 acutely decreases mechanosensory responsivity in behaving mice, elfogadva a PLOS One fólyóiratban, 2014
Guillaume P. Dugué, Magor L. Lörincz, Sara Matias , Patricia A. Correia, Eran Lottem , Enrica Audero, Clément Léna & Zachary F. Mainen: Optogenetic recruitment of dorsal raphe serotonergic neurons 2 acutely decreases mechanosensory responsivity in behaving mice, PLOS ONE 9:(8) p. e105941, 2014
