 |
Spontán kialakuló és kiváltott terjedő lassú hullámok vizsgálata a talamokortikális hálózatban alvás és altatás alatt
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
134196 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Fiáth Richárd |
| magyar cím |
Spontán kialakuló és kiváltott terjedő lassú hullámok vizsgálata a talamokortikális hálózatban alvás és altatás alatt |
| Angol cím |
Investigation of spontaneous and evoked propagating slow waves in the thalamocortical network during sleep and anesthesia |
| magyar kulcsszavak |
talamusz, lassú oszcilláció, terjedő hullámok, egysejt-aktivitás, többsejt-aktivitás, alvás |
| angol kulcsszavak |
thalamus, slow oscillation, propagating waves, single-unit activity, multi-unit activity, sleep |
| megadott besorolás |
| Neuroanatómia és idegélettan (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma) | 90 % | | Informatika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 10 % | | Ortelius tudományág: Informatika |
|
| zsűri |
Idegtudományok |
| Kutatóhely |
Kognitív Idegtudományi és Pszichológiai Intézet (HUN-REN Természettudományi Kutatóközpont) |
| projekt kezdete |
2020-09-01 |
| projekt vége |
2023-08-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
25.500 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.40 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A terjedő hullámok jól ismert elektromos jelenségek az agyban, ám ezeket, részben módszertani korlátok miatt, eddig főként agykérgi területeken írták le. Korábbi in vitro tanulmányok és számítógépes modellek eredményei alapján azonban azt feltételezhetjük, hogy a talamusz is képes terjedő hullámok kialakítására. A közelmúltban kifejlesztett, nagy téri felbontású és nagy szöveti térfogatot lefedő, szilícium multielektródok megfelelő eszközt adnak a kezünkbe, hogy terjedő hullámokat keressünk a talamikus elektromos tevékenységben. A tanulmány fő célja spontán kialakuló és kiváltott terjedő lassú hullámok (LH) vizsgálata altatott és természetesen alvó rágcsálók talamokortikális hálózatában. A projekt specifikus célkitűzései a következők: (1) Spontán és kiváltott talamikus terjedő LH-ok téridőbeli mintázatainak vizsgálata nagyobb és finomabb térbeli skálán. (2) Spontán agykérgi és talamikus LH-ok közötti téridőbeli kölcsönhatások vizsgálata. (3) Terjedő talamikus LH-ok kiváltása szenzoros ingerléssel, a spontán és kiváltott terjedő LH-ok közötti kölcsönhatások tanulmányozása. (4) Megvizsgálni, hogy spontán terjedő talamikus LH-ok természetes lassú hullámú alvás alatt is észlelhetők-e. (5) Egy szabadon hozzáférhető adatbázis készítése a talamikus mérésekből, majd megosztása az idegtudományi közösséggel. A talamuszban megfigyelt spontán és kiváltott terjedő LH-ok tulajdonságainak leírására elektrofiziológiai, szövettani és fejlett adatelemzési módszereket fogunk használni. A javasolt projekt eredményei többek között az idegi kódolás, különféle agyi funkciók (pl. memória konszolidáció) vagy kóros agyi állapotok (pl. epilepszia) alatti folyamatok jobb megértésében segíthetnek.
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 terjedő hullámok (TH), melyek a gerincesek agyának jellemző téridőbeli mintázatai, több agyi régióban is megfigyelhetők, ideértve az agykérget, a hippokampuszt és a talamuszt. Ezen TH-ok feltételezett szerepei közé tartozik az érzékszervi információk feldolgozása, a motoros vezérlés, a térbeli navigáció vagy a hippokampusz-függő memória konszolidáció. Habár a talamusz egy fontos agyi terület, mely egyebek mellett az érzékszervi információkat az agykéregbe továbbítja, valamint az alvás/ébrenlét szabályozásában is részt vesz, csupán maroknyi, a talamuszban kialakuló TH-okkal foglalkozó tanulmány létezik. Továbbá, közelmúltban publikált tanulmányok azt találták, hogy a talamusz kognitív agyi funkciókban betöltött szerepe jelentősebb, mint azt korábban gondoltuk. A kutatási projekt során a következő kérdésekre keresem a választ a legkorszerűbb szilícium-alapú elektródokkal vizsgálva a talamusz elektromos tevékenységét: észlelhetünk-e spontán kialakuló vagy kiváltott terjedő lassú hullámokat (TLH) a talamuszban, in vivo? Milyen tulajdonságai vannak ezeknek a TLH-oknak nagyobb és finomabb térbeli skálán vizsgálódva? Mely talamikus magokban detektálhatók TLH-ok? Vannak-e ezeknek a TLH-oknak altatószer-függő tulajdonságai? Vannak-e talamikus TLH-ok természetes alvás alatt is? Milyen kölcsönhatások figyelhetők meg a kortikális és a talamikus TLH-ok között, vagy spontán és kiváltott TLH-ok között? Hogyan jönnek létre ezek a talamikus TLH-ok? E kérdések megválaszolására különféle kísérleti technikák (extracelluláris mérések nagy-sűrűségű elektródokkal, akusztikus és szomatoszenzoros ingerlés, anatómiai vizsgálatok) és fejlett adatelemzési módszerek alkalmazását tervezem.
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 kutatási projekt során arra a kérdésre keresem a választ, elsősorban a talamuszra fókuszálva, hogy vajon megfigyelhetők-e spontán kialakuló és kiváltott terjedő lassú hullámok altatott és természetesen alvó rágcsálók talamokortikális hálózatában. Noha a projekt elsősorban felfedező kutatás, a terjedő talamikus lassú hullámok tulajdonságainak vizsgálata és a kialakulásuk mögötti biológiai folyamatok megértése jelentős hatással lehet a jövőbeli kutatásokra, illetve akár új lehetőségeket és perspektívákat nyithat az idegtudománnyal kapcsolatos kutatásokban. A talamusznak például jelentős szerepe van az alvás/ébrenlét ciklus szabályozásában (olyan agyi ritmusok kialakításával, mint az alvási orsók vagy a lassú hullámok), így a lassú hullámok terjedésének tanulmányozása közelebb vihet minket az alvás alatti folyamatok megértéséhez. A projekt eredményei fényt deríthetnek a talamuszhoz kapcsolódó más agyi funkciók, például a hippokampusz-függő memória konszolidáció vagy a tudatosság kialakulása, mögött meghúzódó egyes folyamatok részleteire is. Egyéb kutatási területek, melyek feltehetőleg hasznot húzhatnak a vizsgálat eredményeiből közé tartozik az érzékszervi információk feldolgozása, idegi kódolás, agyi régiók közötti információátvitel, vagy a számítógépes modellezés. Ezenkívül a kapott eredmények a kóros agyi állapotok (pl. rohamterjedés epilepsziás állapotokban, alvászavarok vagy Alzheimer-kór) kialakulásának mélyebb megértéséhez is hozzájárulhatnak, és ezáltal új ötleteket adhatnak lehetséges kezelési módszerek kifejlesztéséhez. Továbbá, mivel jelenleg csak kis számú hazai és nemzetközi kutatócsoport rendelkezik olyan neurális elektródokkal, amelyek nagy téri felbontású elektrofiziológiai adatok rögzítését teszik lehetővé, a nagy-sűrűségű talamikus mérések egy részét egy szabadon hozzáférhető adatbázison keresztül tervezem megosztani. A nyilvánosan elérhető nagy-sűrűségű mérési adatok mennyisége még ennél is alacsonyabb, vagyis az adatok megosztása új és hasznos kutatási eredményekhez, valamint más kutatócsoportokkal való együttműködésekhez is vezethet. A pályázónak jelentős tapasztalata van nagy-sűrűségű szilícium elektródokkal, valamint erős háttértudással rendelkezik az alvás és a lassú hullámok területén.
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.
Agyunk olyan összetett elektromos mintázatok létrehozására képes, mint az agy ritmusok vagy a terjedő hullámok. Utóbbiak, melyekre ez a kutatás fókuszál, elképzelhetők úgy is, mint egy stadionban valamilyen sportesemény során kialakuló emberi hullámok (más néven mexikói hullámok): egymáshoz közeli neuronok milliói egyszerre aktiválódnak, majd ez az aktiváció gyorsan tovább terjed a szomszédos sejtekre, melyek ezután továbbadják az aktivitást a szomszédjaiknak, és így tovább. A terjedő hullámokat főként a neokortexben írták le, agyunk azon részén, mely olyan magasabbrendű folyamatokban vesz részt, mint a megismerés vagy a nyelv. A neokortex erős összeköttetésben van egy másik fontos agyi régióval, a talamusszal. A talamusz főként a beérkező érzékszervi információk közvetítőjeként szolgál, de fontos szerepet tölt be a tudatossághoz vagy emlékezethez kapcsolódóan is. Korábbi tanulmányok eredményei arra utalnak, hogy a lassú hullámok (egy különleges agyi ritmus, mely mélyalvásban vagy altatás alatt jelenik meg) a neokortexben történő terjedésen kívül a talamuszban is terjedő tulajdonságot mutatnak. Ezen tanulmány célja annak vizsgálata, hogy kimutathatók-e terjedő lassú hullámok rágcsálók talamuszában alvásban és altatásban. A talamusz elektromos tevékenységének vizsgálatára és az észlelt terjedő hullámok tulajdonságainak tanulmányozására a közelmúltban kifejlesztett neurális elektródokat fogok felhasználni. Ezen túlmenően szenzoros ingerléssel (például hangadással) terjedő hullámokat kísérlek meg kiváltani, és összehasonlítani ezeket a spontán kialakuló terjedő hullámokkal. Az adatok egy részét végül feltöltöm egy nyilvános tárolóba, hogy megosszam azokat az érdeklődőkkel.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Propagating waves of neural activity are a well-known phenomenon in the brain but, partly due to methodological constraints, these were described mostly in cortical areas. However, the findings of previous in vitro and computational modeling studies suggest that the thalamus can also generate propagating waves. Recently developed silicon multielectrodes providing high spatial resolution and large tissue coverage now give us a tool to probe the thalamic electrical activity for such traveling waves. The main objective of this study is to detect and to investigate spontaneously occurring and evoked propagating slow waves (SWs) in the thalamocortical network of anesthetized and naturally sleeping rodents. The specific objectives are the following: (1) Investigating large-scale and fine-scale spatiotemporal patterns of spontaneous propagating thalamic SWs. (2) Studying the spatiotemporal interactions between spontaneous cortical and thalamic SWs. (3) Evoking propagating thalamic SWs by sensory stimulation and observing interactions between spontaneous and evoked traveling waves. (4) Exploring whether spontaneous propagating thalamic SWs can be detected during natural slow-wave sleep. (5) Building a freely accessible database from the thalamic recordings and share this with the neuroscience community. Electrophysiological, histological and advanced data analysis methods will be used to describe the properties of spontaneous and evoked propagating SWs detected in the thalamus. The results of the proposed project might help to gain a better understanding of neural coding mechanisms, various brain functions (e.g. memory consolidation) or pathological brain states (e.g. epilepsy).
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.
Traveling waves of neural activity were found in various brain regions including the neocortex, the hippocampus and the thalamus, and appear to be a characteristic spatiotemporal pattern of the vertebrate brain. Possible functional roles of propagating waves include sensory processing, motor control, spatial navigation or the consolidation of hippocampus-dependent memory. Although the thalamus is an essential brain structure relaying sensory information to the cortex and is also involved in sleep-wake regulation, there are only a handful of studies showing thalamic propagating waves. Furthermore, recent reports have found that the role of the thalamus in cognitive brain functions is more significant than previously thought. During this research project, by examining the electrical activity of the thalamus using state-of-the-art silicon-based probes, I plan to answer the following questions: can we detect spontaneously occurring or evoked propagating slow waves (SWs) in the thalamus, in vivo? What are the large-scale and fine-scale properties of these traveling thalamic activities? Which thalamic nuclei express or initiate propagating SWs? Do the properties of these SWs depend on the type of anesthetic used? Are propagating thalamic SWs also present during natural sleep states? What kind of interactions can be observed between cortical and thalamic propagating waves, or between spontaneous and evoked SWs? How are thalamic traveling waves generated? To answer these questions, I plan to apply various experimental techniques (extracellular recordings with high-density probes, auditory and somatosensory stimulation, anatomical examinations) and advanced data analysis methods.
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.
During the proposed project, I plan to answer the question whether it is possible to detect spontaneously occurring and evoked propagating slow waves in the thalamocortical network of anesthetized and naturally sleeping rodents, focusing mainly on the thalamus. Although this is principally an exploratory research project, investigating the features of propagating thalamic slow waves and understanding the biological mechanisms underlying their generation might have a significant impact on future scientific investigations, even opening up new possibilities and perspectives in neuroscience research. For instance, the thalamus is largely involved in the regulation of the sleep/wake cycle (by generating brain rhythms such as sleep spindles or slow waves), thus the study of traveling slow waves could bring us closer to unravel the mechanisms behind sleep. The results of the project might also shed light on processes underlying other brain functions related to the thalamus such as hippocampus-dependent memory consolidation or the generation of consciousness. Other research areas which may possibly benefit from the findings of this study include sensory information processing, neural coding, information transfer between and within brain regions, or computational modeling. Furthermore, the obtained results might grant us a deeper understanding on how pathological brain states develop (e.g. seizure propagation in epileptic conditions, sleep disorders or Alzheimer’s disease) and give new ideas for the development of possible treatment options. Also, since currently only a limited number of national and international research groups have access to neural probes that allow the recording of electrophysiological data with high spatial resolution (e.g. Neuropixels), I plan to share a part of the high-density thalamic recordings through a freely accessible database. The amount of publicly available high-density datasets is even lower, thus sharing our recordings could also lead to novel and useful research findings as well as to collaborations with other research groups. Finally, the applicant has first-hand experience with high-density silicon probes and has strong background knowledge in the topic of slow waves and sleep.
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 brain can generate complex patterns of electrical activity such as brain rhythms or propagating waves. The latter, which are the focus of this research, can be imagined like the human waves in a stadium during sporting events (called also Mexican waves): millions of nearby neurons are activated at the same time and this activation spreads quickly to neighboring cells which then pass on the activity to adjacent neurons and so on. Traveling waves were found mainly in the neocortex which is the part of the brain involved in higher-order functions such as cognition or language. The neocortex is strongly interconnected with another important brain region: the thalamus. The thalamus serves mainly as a relay station for incoming sensory information but has also key roles related to consciousness or memory. Previous scientific studies suggest that, besides propagating in the neocortex, slow waves (a specific type of brain rhythm which can be detected in deep sleep or under anesthesia) can travel also in the thalamus, although nobody investigated this phenomenon in the intact brain. To aim of this study is to examine whether propagating slow waves can be observed in the thalamus of sleeping and anesthetized rodents. I will use recently developed neural electrodes to probe the electrical activity of the thalamus and study the properties of detected traveling waves. Furthermore, I will attempt to start such waves using sensory stimulation (e.g. by playing sound next to the ear of the animal) and compare these evoked waves with spontaneously occurring propagating waves. Finally, I will upload some of the data to a public repository to share it with people who are interested.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Csernyus Bence, Szabó Ágnes, Fiáth Richárd, Zátonyi Anita, Lázár Csaba, Pongrácz Anita, Fekete Zoltan: A multimodal, implantable sensor array and measurement system to investigate the suppression of focal epileptic seizure using hypothermia, JOURNAL OF NEURAL ENGINEERING 18: (4) 0460c3, 2021 | | Fiáth R, Horváth Cs, Ulbert I: Propagating slow waves in the thalamus of anesthetized rodents, Virtual FENS Regional Meeting 2021, 25-27 August 2021, 2021 | | Fiáth R., Meszéna D., Somogyvári Z., Boda M., Barthó P., Ruther P., Ulbert I.: Recording site placement on planar silicon-based probes affects signal quality in acute neuronal recordings, SCIENTIFIC REPORTS 11: (1) 2028, 2021 | | Horváth Csaba, Tóth Lili Fanni, Ulbert István, Fiáth Richárd: Dataset of cortical activity recorded with high spatial resolution from anesthetized rats, SCIENTIFIC DATA 8: (1) 180, 2021 | | Bod Réka Barbara, Rokai János, Meszéna Domokos, Fiáth Richárd, Ulbert István, Márton Gergely: From End to End: Gaining, Sorting, and Employing High-Density Neural Single Unit Recordings, FRONTIERS IN NEUROINFORMATICS 16: 851024, 2022 | | Kocsis Barnabás, Martínez-Bellver Sergio, Fiáth Richárd, Domonkos Andor, Sviatkó Katalin, Schlingloff Dániel, Barthó Péter, Freund Tamás F., Ulbert István, Káli Szabolcs, Varga Viktor, Hangya Balázs: Huygens synchronization of medial septal pacemaker neurons generates hippocampal theta oscillation, CELL REPORTS 40: (5) 111149, 2022 | | Horváth C, Steinbach M, Ulbert I, Fiáth R: Travelling slow waves in the thalamus of anesthetized rodents, International Neuroscience Meeting, Budapest 2022 – IBRO Workshop, 27-28 January, 2022, Budapest, Hungary, 2022 | | Horváth C, Steinbach M, Ulbert I, Fiáth R: Propagating spiking activity in the thalamus of anesthetized rodents, FENS Forum 2022, 9-13 July 2022, Paris, France, 2022 | | Fiáth R, Horváth Cs, Ulbert I: Propagating slow waves in the thalamus of anesthetized rodents, Virtual FENS Regional Meeting 2021, 25-27 August 2021 (poster presentation), 2021 | | Horváth C, Steinbach M, Ulbert I, Fiáth R: Travelling slow waves in the thalamus of anesthetized rodents, International Neuroscience Meeting, Budapest 2022 – IBRO Workshop, 27-28 January, 2022, Budapest, Hungary (poster presentation), 2022 | | Fiáth R, Horváth R, Steinbach M, Ulbert I.: Propagation of spontaneous population activity during slow waves in the thalamus of rodents, FENS Regional Meeting, 3-5 May 2023, Algarve, Portugal (poster presentation), 2023 | | Horváth C, Ulbert I, Fiáth R: Propagating population activity patterns during spontaneous slow waves in the thalamus of rodents, bioRxiv preprint, #2023.08.31.555472, 2023 | | Horváth C, Steinbach M, Ulbert I, Fiáth R: Propagating spiking activity in the thalamus of anesthetized rodents, FENS Forum 2022, 9-13 July 2022, Paris, France (poster presentation), 2022 | | Horváth C, Fiáth R: Application of high-density neural probes to explore the complex spatiotemporal dynamics of thalamocortical activity, 12th Neuronus IBRO Neuroscience Forum, 15-17 October, 2022, Krakow, Poland (oral presentation), 2022 | | Fiáth R: Evolution of silicon-based probes developed for large-scale neuronal recordings, 12th Neuronus IBRO Neuroscience Forum, 15-17 October, 2022, Krakow, Poland (oral presentation), 2022 | | Király B, Domonkos A, Jelitai M , Lopes-dos-Santos V, Martínez-Bellver S, Kocsis B , Schlingloff D, Joshi A, Salib M , Fiáth R, Barthó P, Ulbert I, Freund FT, Viney TJ , Dupret D, Varga V, Hangya B: The medial septum controls hippocampal supra-theta oscillations, Nature Communications (accepted manuscript), 2023 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
