Sejtszintű és molekuláris neurobiológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Neurobiológia
zsűri
Idegtudományok
Kutatóhely
Thalamus Kutatócsoport (HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet)
résztvevők
Bokor Hajnalka Bősz Emília Faradzs-zade Lejla Farkas Lívia Komlósi Gergely Sándor Mátyás Ferenc Plattner Viktor
projekt kezdete
2016-04-01
projekt vége
2019-11-30
aktuális összeg (MFt)
47.202
FTE (kutatóév egyenérték)
5.09
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatás fő célja az újonnan kifejlesztett ultragyors, ultrahang leképezés módszerének alkalmazása szabadon mozgó egereken, a módszer validálása fMRI vizsgálatokkal illetve kombinálása optogenetikai módszerekkel.
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 kutatás három fő cél köré szerveződik: 1) Valós idejű direkt 3D leképezése az egér agy funkcionális kapcsolatainak éber állatban 2) A nyugalmi konnenktivitás meghatározása és ennek megváltozásának nyomonkövetése. 3) A funkcionális térképek vizsgálata neurológiai kórképek farmakológiai és genetikai modelljeiben.
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! A kutatás úttörő jellegű eredményeket szolgáltat majd az egér agy működése megértésében és hozzájárul a hasnonló típusú humán leképezési módszerek fejlesztéséhez.
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. A kutatás egy új típusú funkcionális képalkotás kifejlesztésén dolgozik, mely a működő agy kapcsolatait képes térképezni.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The mouse brain provides unique opportunities in brain connectivity mapping, both to understand how the genotype regulates the phenotype and to understand the dynamics and pharmacological regulation of brain connectivity in well-controlled and highly-reproducible experimental setups. Recently we have developed a novel paradigm of functional brain imaging - Ultrafast Functional Ultrasound or fUS (Osmanski et al., Nature Communications, 2014). Through achieving parallel measurement of functional parameters with sensitivity, spatiotemporal resolution and operating simplicity unmatched by current imaging modalities, fUS may open access to previously unexplored aspects of brain function. In particular, fUS may be a ground-breaking novel method mapping not only functional connectivity, but coupled to optogenetics, also mapping effective connectivity in awake mice. This could vastly accelerate the adaptation of connectivity-based experimental approaches in neuroscience research environments. For the validation of these promises, here we propose a complementary European research network to validate the fUS technique for targeted mapping of the mouse brain.
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. First, the French partners (1&2) will adapt the fUS technique for minimally-invasive whole-brain mapping in awake mice, by using a motorized 2D ultra-light prototype ultrasound probe. Direct real-time 3D mapping will also be developed by using a 2D-matrix prototype probe. Typical experiments will aim to map major resting-state networks, already identified in humans (such as the Default Mode Network) in awake resting mice. By using mouse fMRI equipment, the Belgian partner (3) will contribute to the development and validation of analytical tools for the interpretation of fUS connectivity data. We will compare the performance of fUS- versus the standard fMRI-based mapping approaches on the same animal models and using similar analytical approaches. This will provide insights into the relative strengths and weaknesses of the fUS method. The Hungarian partner (4) will provide fine-grained connectivity data to verify well-defined sets of connections identified by fUS. Next, using proof-of-concept optogenetic experiments, partners 1 and 4 will induce targeted changes in specific thalamocortical networks, and record the changes in behavior, EEG activity and functional brain connectivity in parallel. Finally, partners 1 and 3 will aim to map alterations in functional connectivity in mouse models of neurological diseases.
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. This project will produce new functional insights that will complete existing data set on the structure of the mouse brain and facilitate mouse-human comparisons. Hopefully, the tools developed in this project will be the base of future user-friendly, cost-effective bench-top based fUS systems, optimized for the mapping of functional connectivity of the mouse brain, and ready-to-use in a standard neuroscience research lab, both in academic and industrial research environments.
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. Our project aims to develop a breakthrough neuroimaging method, functional ultrasound (fUS) imaging which is particularly well-adapted to the targeted mapping of the mouse brain. At higher levels of brain organization, previous breakthroughs in scalable methods—particularly in optogenetics and MRI - have already paved the way for comprehensive studies, comparable to work being done in molecular biology and proteomics. We suggest that fUS in awake animals is a promising further step that enhances the experimental power and physiological relevance of functional imaging. This technological advance may revolutionize functional connectivity studies, which are typically performed today using fMRI on anesthetized animals, by opening the perspective of simoultaneous imaging of experimentally-induced changes (e.g. by optogenetics or pharmacology) of intrinsic connectivity and behavior in the same animal.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A FLAG ERA nemzetközi konzorcium magyar partnerének két fő célja volt. A módszertani cél egy könnyen reprodukálható kísérleti paradigma létrehozása volt, amely lehetővé teszi az optogenetika, az elektrofiziológia és az új képalkotó módszer (gyors ultrahangos képalkotás, fUS) kombinálását viselkedés szempontjából releváns körülmények között. Ehhez azonosítanunk kellett a középvonalbeli talamuszmag (más néven paraventricularis mag) szerepét az alvás-ébrenlét átmenet (azaz az arousal) közvetítésében, ami a projekt második célját jelentette. A projekt mindkét célját teljesítette.
A) Morfológiai és fiziológiai kritériumok alapján megállapítottuk, hogy a CR+ középvonalbeli talamusz neuronok az előagyban egy központi arousal rendszert alkotnak, amelynek evolúciósan konzervált jellemzői vannak a rágcsálók és az ember között.
B) A CR+ középvonali sejtek rövid (1 másodperces) optogenetikai stimulációja, amely többször is megismételhető, mikroarouzalt idéz elő. Ez a paradigma lehetővé teszi a nagy léptékű hálózati változások tesztelését az fUS eddig példa nélküli térbeli és időbeli felbontásának felhasználásával egy biológiailag releváns viselkedés formában. A mikroaruzál és az átalvásos esetek fUS-el történő összehasonlítása különösen hasznos lesz annak a hálózati aktivitásnak a meghatározásához, amely motoros kimenetű arousalhoz vezet. 2021-ben a Kísérleti Orvostudományi Intézet vásárolt egy fUS-t, amelyet központi berendezésként használnak majd.
kutatási eredmények (angolul)
The Hungarian partner of this FLAG ERA international consortium had two major aims. The methodological aim was to establish an easily reproducible experimental paradigm which allows the combination of optogenetics, electrophysiology and the novel imaging method (fast ultrasound imaging, fUS) in a behaviorally relevant condition. In order to do so we needed to identify the role of the midline thalamic nucleus (also called paraventricular nucleus) in mediating the sleep-to-awake transition (i.e. arousal), which consisted of the second aim of the project. The project fulfilled both of its aims.
A) Using morphological and physiological criteria we established that the CR+ midline thalamic neurons form a pivotal arousal system in the forebrain with evolutionary conserved features between rodents and humans.
B) Brief (1 sec) optogenetic stimulation of CR+ midline cells, which can be repeated many times, evokes microarousal pattern in a probabilistic manner. This paradigm allows to test large scale network changes using the unprecedented spatial and temporal resolution of fUS in a biologically relevant behavior. Comparison of microarousal and sleep-through cases with fUS will be especially useful to determine network activity which leads to arousal with motor output. In 2021 the Institute of Experimental Medicine purchased an fUS which will be used as a core facility.
Ferenc Mátyás, Gergely Komlósi, Ákos Babiczky, Kinga Kocsis, Péter Barthó, Boglárka Barsy, Csaba Dávid, Vivien Kanti, Cesar Porrero, Aletta Magyar, Iván Szűcs, Francisco Clasca, László Acsády: A highly collateralized thalamic cell type with arousal predicting activity serves as a key hub for graded state transitions in the forebrain, Nature Neuroscience, 2018
