FLAG–ERA A szenzoros integrációért felelős kanonikus kérgi hálózat vizsgálata  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
118902
típus NN
Vezető kutató Négyessy László
magyar cím FLAG–ERA A szenzoros integrációért felelős kanonikus kérgi hálózat vizsgálata
Angol cím FLAG–ERA Investigating the canonical organization of neocortical circuits for sensory integration
magyar kulcsszavak in vivo, área interakciók, multiszenzoros, intracelluláris elvezetés, populációs aktivitás, felszálló pálya, visszacstolás, supragranularis, infragranularis, oszcillációk, modellezés
angol kulcsszavak in vivo, areal interaction, multisensory, whole cell recording, population activity, feed forward, feedback, supragranular, infragranular, oscillations, modelling
megadott besorolás
Sejtszintű és molekuláris neurobiológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Neurobiológia
zsűri Idegtudományok
Kutatóhely RMI - Komputációs Tudományok Osztálya (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők Bazsó Fülöp
Benkő Zsigmond
Cserpán Dorottya
Heszberger János
Kiss Tamás
Mir Mohd Yaqub
Pálfi Emese
Somogyvári Zoltán
Stippinger Marcell
Zalányi László
projekt kezdete 2016-04-01
projekt vége 2020-03-31
aktuális összeg (MFt) 34.122
FTE (kutatóév egyenérték) 20.68
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A páylázat fő célkitűzése a kérgi komputáció sokszintű szerveződésének megértése az un. kanonikus mikrohálózat modelljének segítségével az egysejt és populációs aktivitásolk valamint az agykérgi áreák interkciójának integrációjával. A három kérdés, amit szeretnénk megérteni: i) a multiszenzoros integrációban azonosítható-e kanonikus mikrohálózat, ii) az egyes idegsejt populációk szerepe a felszálló és visszacsatolt kérgi kapcsolatok mentén kialakuló oszcillációk modulációjában és iii) ez az architektúra megfigyelhető-e különböző emlősökben. E célból a külföldi partner réteg és neuron specifikus teljes sejt és populációs aktivitást mér éber, “head fixed” egerek vizuális kérgében multiszenzoros feladat végzése közben. Eredményeink faji szintű általánosíthatósága érdekében, hasonló populációs szintű méréseket tervezünk a sokkal fejletteb látórendszerrel rendelkező vadásgörényben. Magas szintű komputációs modelleket tervezünk i) a kérgi feldolgozó architektúra azonosítására egérben a mérési adatok alapján és ii) az evolúciósan megőrzött funckionális architektúra azonosítására az egér és v.göreny adatok összehasonlításaával. Annak kiderítésére, hogy az állatkísérletes eredmények mennyire kompatibilisek az emberi funkcionális architektúrával, humán páciensek intrakraniális elvezetéséből származó adatok analizálunk. Végeredményben a project keretében értelmezzük a kérgi áreák interakcióján alapuló információfeldolgozás mikrohálózati és kollumnári mechanizmusait.

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.
Újabb kutatási eremdények szerint a kérgi feldolgozás, amelyben a felszálló kapcsolatokon terjedő információ fontos szerepet játszik, mint pl. a szenzoros integrációban, elsődlegesen a szupragranuláris rétegekben történik és magas frekvenciájú, gamma oszcillációk mediálják. Ezzel ellentétben a magasabb szintről az alacsonyabb szintű áreákba történő visszacsatolás az infragranuáris rétegekben kerül feldolgzásra alacsony frekvenciás alfa és beta oszcillációk segítségével. A kanonikus mikrohálózat a kérgi feldolgozás alapszintű szerveződésének tekinthető, ami a lényeges kérgi jellegzetességeket mutatja. Ez a szerveződési modell megfelelő a neurális feldolgozási mechanizmusok tanulmányozására. A legfontosabb célunk a kortiko-kortikális integráció mikroarchitektúrájának feltárása. Specifikus kérdéseink a következők: Hogyan integrálhatók a kérgi kommunikáció különböző formái (felszálló és visszacsatolt), ami különböző rétegekben és sejt típusok segítségével valósul meg, a kanonikus mikrohálózatba? Hogy alakul ki a specifikus feldolgozás és az oszcillatorikus aktivitások felszálló és visszacsatolt jellegzetességei a kanonikus hálózat működése során? A kérgi integrációért felelős kanonikus mikrohálózati architektúra fajoktól független, általános emlős tulajdonság-e? Találunk-e hasonló jellegzetességeket human intrakraniális mérési eredmények alapján?

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 project során meghatározzuk a szenzoros kérgi integráció mikroarchitektúráját, hogy megértsük a különböző idegsejt típusok és oszcillatorikus populációs aktivitásaok szerepét a multiszenzoros integrációs feladat egyes fázisaiban a nyugalmi állapottól az inger különböző kérgi áreákban történő megjelensésén át a döntés hozatalaig. Modellezzük a multiszenzoros integrációért felelős mikrohálózati dinamikát és információfeldolgozást a különböző kérgi áreák, rétegek és idegsejt típusok interakciói alapján. A kisemlősökben azonosított funkcionális kérgi architektúrát intrakraniális mérésekből származó emberi adatokkal hasonlítjuk össze.

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 az emlős agykéreg erősen konzervált neuronális architektúra. Klasaszikusan 6 rétegre osztható, melyekben a serkentő és gátló sejtek érzékeny egynsúlya biztosítja a funkcionalitást. Ugyanakkor az egyes kérgi rétegek idegsejt típusai egyedi összeköttetési mintázattal, neuromodulációval, aktivitásmintázattal és intergrativ tulajdonságokkal jellemzhetők. Ezen szerveződési egységek – melyeket anatómiai, in vitro és altatott körülmények között egyaránt azonosítottak – szülték a “kanonkus mikrohálózat” fogalmát: a feldolgozás egyszerűsített modelljét, ami a fő kérgi tulajdonságokat magában foglalja. A kanionikus mikrohálózat tehát az idegrendszeri intergáció funkcionális feldolgozó egysége, amely a legtöbb ha nem az összes kognitív funkcióban szerepet játszim az amlős agyban. Pályázatunkban meg kívánjuk érteni a mikrohálózatok funkcionális architektúráját, um. az egyes idegsejttípusok hogyan (és mikor) hajtanak végre specifikus komputációt és hogy az információ hogya terjed a különböző agyterületekre. A be- és kimeneti hatások analízisével vizsgáljuk, hogyan működik a mikrohálózat sppecifikus feladatok során. Megközelítésünk lehetőséget ad a különböző frekvenciájú oszcillációk születésének és mechanisztikus szerepének megértésére az egyes idegsejtek szintjén. Kérdéseinkre adott válaszok alapvetőek az agykéreg működésének megértéseben – végeredményben a human intelligenciát illetően is.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of this project is to shed light on the multiscale organization of cortical computation by integrating neuronal and population activities with inter-areal interactions at the level of the canonical microcircuit. Our objective is threefold, as we aim to understand: i) whether the canonical architecture can be actually observed in a cortical circuit subserving multisensory integration, ii) the roles of different neuronal subpopulations in modulating oscillatory activity related to feedforward and feedback processing and iii) whether such architecture is preserved across different mammals. To achieve these goals the foreign partners will perform whole‐cell and ensemble recordings with layer‐ and cell type specificity in the visual cortex of head fixed, behaving mice, while engaging animals in a multisensory integration task. Comparable ensemble recordings will be performed in ferrets, to investigate whether the same functional architecture is preserved in a species with a highly evolved visual system. We will perform advanced computational modeling to i) derive a functional architecture out of the intracellular and ensemble recordings in mice and ii) compare the functional architecture of mice and ferrets to evaluate what components have been evolutionarily preserved. Finally, we will perform analysis on intracranial recordings from diverse cortical areas of human patients to investigate whether the functional architecture we describe in lower mammals is also compatible with the human architecture. Overall, our project will reveal the microcircuit, columnar mechanisms of cortical processing related to the exchange of information between different areas.

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.
Recent studies suggest that computations dealing with feed forward transfer of information, such as sensory integration, are primarily performed in supragranular layers and are mediated by high frequency oscillations (gamma band). Conversely, feedback processing from higher order to lower order areas seems to be performed in infragranular layers and mediated by low frequency oscillations (alpha and beta bands). Also, the canonical microcircuit is thought as the basic organizational motif of cortical processing that is consistent with the major features of cortical circuits. This organizational scheme seems highly appropriate for studying the underlying neural mechanisms. The main objective of the project is to reveal the functional micro‐architecture of cortico‐cortical integration. The following specific questions will be addressed: How are the different forms of cortical communication (e.g feedforward, feedback) performed at the level of distinct layers and neuronal subtypes integrated into the canonical microcircuit? How do specific computations and the feedforward and feedback forms of cortical oscillatory activity emerges from the function of the canonical circuit? Do different mammals (mice and ferrets) share the same micro‐architecture for cortical integration? Can we observe traces of a similar architecture in intracranial recordings in humans?

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.
The project focuses on identifying the functional micro-architecture of cortical sensory integration to understand how the different type of neurons and oscillatory population activities that conform functional architectures, are involved in each phase of a multisensory integration task, ranging from resting phase, observation of stimuli impinging different sensory cortices and decision making. Microcircuit dynamics and information processing underlying multisensory integration will be modeled on the basis of interactions of different cortical areas, layers and neuronal types. The cortical functional architecture of small mammals will be compared to data recorded intra-cranially in human patients.

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.
The neocortex is a remarkable and highly conserved neuronal architecture throughout the mammalian lineage. Classically, the neocortex is divided into six layers, each one containing a delicate balance of excitatory and inhibitory neurons that supports its functions. Importantly, individual neuronal subtypes in each layer are characterized by a unique combination of connectivity, neuromodulators, activity patterns and integration properties. These basic organizational motifs – characterized through numerous anatomical, in vitro and anesthetized studies – have raised the idea of a “canonical microcircuit”: a simple model of cortical processing that is consistent with the major features of cortical circuits. Thus, the canonical microcircuit is the functional computational unit of integration in the nervous system and they support most, if not all, high cognitive functions of the mammalian brain. The present proposal is aimed to reveal the functional architecture of microcircuits, how (and when) specific subtypes of neurons convey specific computations and how information can be transferred through several brain regions. Our goal is to show how cortical microcircuits work in specific tasks dissecting different input and output effects. Furthermore, this approach could help understanding the birth of the different rhythms and their mechanistic role and at the single cell level. Answering these questions will also be a cornerstone in our understanding of the neocortex – and ultimately of human intelligence.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A multimodális eltérés-negativitás (MMN) paradigmánkkal kombinatorikusan kapott nagy és bonyolult adatkészlet elemzésére matematikai eszközöket fejlesztettünk és kidolgoztuk a kiértékelés módszertanát. Megkülönböztettük a valódi eltérést az ingerspecifikus adaptációtól, és egysejt aktivitás és LFP szintjén meghatároztuk a rétegspecifikus feldolgozást, valamint a kérgi áreák közötti koherenciát. Kimutattunk egy szelektív, feltételes MM-ként azonosított neuronális választ. Az egysejt kernel áramforrás-sűrűség (skCSD) módszer kidolgozásával megnöveltük a korábbi sCSD technikánk pontosságát, ami extracelluláris méréssel azonosítja az egyes neuronok bemeneti áramát. Interakciók kauzálitását azonosító módszer alkalmazásával lokalizáltunk epilepsziás fókuszt emberekben. In vitro különböző téridő felbontású (optikai és elektrofiziológiai) mérésekből nyert jelek között okozati összefüggés azonosításával felfedtük az LFP-teljesítmény szerepét az idegsejt aktivitás különböző állapotaiban. Új matematikai módszerünk azonosítja az okozati kölcsönhatások valamennyi formáját; míg egy másik az egyedi eseményeket. A kérgi kölcsönhatások nagyléptékű hálózat-dinamikáját réteges populációs modell alkalmazásával vizsgálva kimutattuk az áramlás topológia és a kauzális dinamika összefüggését. Végül, az eredeti célokat kiegészítve azonosítottuk a kérgi áreákon belüli és azok közötti axonális és szinaptikus jelátvitel szerkezeti elemeit.
kutatási eredmények (angolul)
We developed mathematical tools and designed the analyses of the large and difficult dataset provided by our combinatorial Multimodal Mismatch Negativity (MMN) paradigm. Genuine mismatch was distinguished from stimulus-specific adaptation and layer-specific processing and inter-areal coherence were determined at the single unit and LFP levels. A specific neuronal response called conditional MM was identified. To increase the precision of our earlier sCSD technique, which identifies input currents on individual neurons using extracellular recordings, we developed the single-cell kernel Current Source Density method (skCSD). Applying a novel tool determining causal relationship allowed the localization of epileptic focus in human patients. Also, causal relations identified between signals obtained from recordings at different spatiotemporal resolutions (i.e. optical and electrophysiological) in vitro revealed the role of the power of LFP in different states of neuronal activities. A novel mathematical tool is formulated, which can identify all forms of causal interactions; whereas another one determined unique events. Cortical interactions modelled by implementing a laminar mass model of large scale network dynamics revealed the close correspondence of flow topology and causal dynamics. Finally, complementing the original goals we determined structural correlates of axonal and synaptic signalling within and between cortical areas.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=118902
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Bálint File, Zoltán Klimaj, Zoltán Somogyvári, Lajos R Kozák, Gyula Gyebnár, Brigitta Tóth, Zsófia Kardos, István Ulbert, Márk Molnár: Age-related changes of the representative modular structure in the brain, IEEE International Workshop on Pattern Recognition in Neuroimaging (PRNI), 2016
Somogyvári Z and Érdi P: Forward and Backward Modeling: From Single Cells to Neural Population and Back, Series: Studies in Systems, Decision and Control 39, Springer 39 International Publishing Switzerland, Cham Heidelberg New York Dordrecht London, pp. 135-146. ISBN 978-3-, 2016
Zsigmond Benkő, Dániel Fabó, Zoltán Somogyvári: Time series and interactions: Data processing in Epilepsy research, Springer Series in Bio-/Neuroinformatics 6, pp 73-91 Springer International Publishing, 2017
Somogyvári Zoltán, Zalányi László: Biofizika, Lélekenciklopédia II. 355-374., 2016
Cserpán D, Meszéna D, Wittner L, Tóth K, Ulbert I, Somogyvári Z, Wójcik DK.: Revealing the distribution of transmembrane currents along the dendritic tree of a neuron from extracellular recordings., Elife. 6. pii: e29384., 2017
Somogyvári Z, Érdi P.: From phase transitions to the topological renaissance: Comment on "Topodynamics of metastable brains" by Arturo Tozzi et al., Phys Life Rev. 21:23-25., 2017
Zsigmond Benkő, Ádám Zlatniczki, Dániel Fabó, András Sólyom, Loránd Erőss, András Telcs and Zoltán Somogyvári: Complete Inference of Causal Relations in Neural Dynamical Systems, https://arxiv.org/, 2018
Kristóf Furuglyás, Zsigmond Benkő, Dorottya Cserpán, Conrado Bosman Vittini, Umberto Olcese, László Négyessy, Zoltán Somogyvári: Layer-specific single neuron - LFP correlations and causal functional connectivity during multimodal mismatch detection task, 16th Annual Conference of the Hungarian Neuroscience Society, Hungarian Academy of Sciences, January 17-18, 2019, Debrecen, Hungary, 2019
Zsigmond Benkő, Kinga Moldován, Katalin Szádeczky-Kardoss, László Zalányi, Sándor Borbély, Ildikó Világi, Zoltán Somogyvári: Causal relationship between local field potential and intrinsic optical signal in epileptiform activity in vitro, Scientific Reports 9 Article number: 5171 (2019), 2019
Géza B. Selmeczy, András Abonyi, Lothar Krienitz, Peter Kasprzak, Peter Casper, András Telcs, Zoltán Somogyvári, Judit Padisák: Old sins have long shadows: Climate change weakens efficiency of trophic coupling of phyto- and zooplankton in a deep oligo-mesotrophic lowland lake (Stechlin, Germany) -, Hydrobiologia DOI : 10.1007/s10750-018-3793, 2018
Zátonyi A, Borhegyi Z, Cserpán D , Somogyvári Z , Srivastava M, Kisvárday Z and Fekete Z: Functional brain mapping using optical imaging of intrinsic signals and simultaneous high-resolution cortical electrophysiology with a flexible, transparent microelectrod, Sensors & Actuators: B. Chemical 273 (2018) 519–526, 2018
Cserpán D, Meszéna D, Wittner L, Tóth K, Ulbert I, Somogyvári Z, Wójcik DK.: Revealing the distribution of transmembrane currents along the dendritic tree of a neuron from extracellular recordings., Elife. 6. pii: e29384., 2017
Zsigmond Benkő, Ádám Zlatniczki, Dániel Fabó, András Sólyom, Loránd Erőss, András Telcs and Zoltán Somogyvári: Complete Inference of Causal Relations in Neural Dynamical Systems, https://arxiv.org/, 2018
Zsigmond Benkő, Kinga Moldován, Katalin Szádeczky-Kardoss, László Zalányi, Sándor Borbély, Ildikó Világi, Zoltán Somogyvári: Causal relationship between local field potential and intrinsic optical signal in epileptiform activity in vitro, Scientific Reports 9 Article number: 5171 (2019), 2019
Géza B. Selmeczy, András Abonyi, Lothar Krienitz, Peter Kasprzak, Peter Casper, András Telcs, Zoltán Somogyvári, Judit Padisák: Old sins have long shadows: Climate change weakens efficiency of trophic coupling of phyto- and zooplankton in a deep oligo-mesotrophic lowland lake (Stechlin, Germany) -, Hydrobiologia DOI : 10.1007/s10750-018-3793, 2018
Zátonyi A, Borhegyi Z, Cserpán D , Somogyvári Z , Srivastava M, Kisvárday Z and Fekete Z: Functional brain mapping using optical imaging of intrinsic signals and simultaneous high-resolution cortical electrophysiology with a flexible, transparent microelectrod, Sensors & Actuators: B. Chemical 273 (2018) 519–526, 2018
Ashaber, M., Zalányi, L., Pálfi, E., Stuber, I., Kovács, T., Roe, A. W., Friedman, R. M., & Négyessy, L.: Synaptic organization of cortico-cortical communication in primates., Eur J Neurosci. 2020; 00: 1– 20. https://doi.org/10.1111/ejn.14905, 2020
Y Mir, E Pálfi, A Roe, R Friedman, L Négyessy: Modular organization of signal transmission in the primate somatosensory cortex., 12th FENS Forum of Neuroscience, 11-15 July 2020, Glasgow UK., 2020
Y Mir, E Pálfi, A Roe, R Friedman, L Négyessy.: Modular organization of signal transmission in the primate somatosensory cortex., IBRO workshop, 29-30 January 2020, Szeged, HU., 2020
Zoltán Somogyvári, Dorottya Cserpán, Zsigmond Benkő, Anikó Fülöp, Jennifer Csatlós, Tom Sikkens, Conrado A Bosman, Umberto Olcese, László Négyessy: Single neuron correlates of multimodal mismatch detection, FENS Regional Meeting, Pécs, Hungary, 2017
Dorottya Cserpán, Flóra Fedor, Gábor Juhász, Zoltán Fekete, Zsolt Borhegyi, Zoltán Somogyvári: BrainAreaR: A tool for electrophysiological analysis and functional pattern detection, FENS Regional Meeting, 2017, Pécs, Hungary, 2017
Zsigmond Benkő, Tamás Bábel, Zoltán Somogyvári: How to find a unicorn: a novel model-free, unsupervised anomaly detection method for time series, https://arxiv.org/abs/2004.11468, 2020




 

Projekt eseményei

  
2019-07-30 13:32:15
Résztvevők változása
2018-01-23 20:58:27
Résztvevők változása
2018-01-11 13:43:25
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: RMI - Elméleti Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: RMI_ Komputációs Tudományok Osztálya (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).
2017-12-04 07:43:23
Résztvevők változása
2017-04-03 13:54:42
Résztvevők változása
2016-10-19 07:32:24
Résztvevők változása



vissza »