Characterization of interactions in thalamic microcircuitry by multichannel physiological methods  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
101773
Type NF
Principal investigator Barthó, Péter
Title in Hungarian Thalamikus mikrohálózatok interakcióinak vizsgálata sokcsatornás fiziológiai módszerekkel
Title in English Characterization of interactions in thalamic microcircuitry by multichannel physiological methods
Keywords in Hungarian thalamusz, gátlás, serkentés, oszcilláció
Keywords in English thalamus, excitation, inhibition, oscillation
Discipline
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Laboratory of Thalamus Research (Institute of Experimental Medicine Hungarian Academy of Sciences)
Participants Mátyás, Ferenc
Slézia, Andrea
Starting date 2012-01-01
Closing date 2015-12-31
Funding (in million HUF) 41.888
FTE (full time equivalent) 4.00
state closed project
Summary in Hungarian
– A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára

Szinte minden idegi funkció alapja a serkentő és gátlósejtek kiegyensúlyozott működése, viszont a kapcsolt serkentő-gátló hálózatok in vivo vizsgálatát technikai problémák nehezítik. A pályázatban egy újfajta módszert írunk le a kapcsolt serkentő-gátló populációk elvezetésére és analízisére. Ezzel a módszerrel első alkalomal vizsgálhatjuk e kapcsolt populációkat normál és patológiás oszcillációk alatt.
A sokcsatornás szilikon elektródok lehetővé teszik a serkentő thalamikus relésejtek, és a kapcsolt, gátló thalamikus retikuláris sejtek axonterminálisainak egyidejű elvezetését. A cél annak vizsgálata, hogy a serkentő-gátló kölcsönhatás hogyan vezet különféle thalamikus oszcillációs mintázatok kialakulásához és terjedéséhez. Evégett vizsgáljuk a populációs események pontos időzítését, a hálózat tagjai közötti szinkronitást, a helyi mintázatok terjedését.
Megvizsgáljuk továbbá különböző afferens és efferens kapcsolatokkal rendelkező thalamuszmagok hálózati viselkedését.
Az eredmények betekintést fognak nyújtani a hálózatok működésének szabályaiba, és segíteni fogják a patológiás oszcillációk biológiai alapjainak megértését.


– Mi a kutatás alapkérdése?

Kapcsolt serkentő- és gátlósejtek populációiból álló hálózatok vizsgálata az alábbi kérdéseket veti fel: Mi a két sejttípus aktivitásának egymásutánisága? Hogy befolyásolja az egyik populáció aktivitása a másik populáció aktivitását és szinkronitását? Hogyan kapcsolódik a két populáció különféle ritmusokhoz? Mi a kapcsolat helyi és globális oszcillációk között?
E kérdésekkel azt a hipotézist vizsgáljuk, hogy a helyi neuronpopulációk hol a helyi, hol a globális hálózati aktivitásban vesznek részt.
A talamusz egyes magjai szubkortikális területekről kapnak irányító bemenetet, mások a kéreg 5. rétegéből. E kétfajta magból elvezetve azt a hipotézist vizsgáljuk, hogy a populációs aktivitás nagyrészt a bemenetek függvénye.
Végül, összehasonlítjuk a thalamikus aktivitást az altatott szabályos, és a szabadon alvó, variábilisabb oszcillációk alatt.


– Mi a kutatás jelentősége?

A serkentő és gátló thalamikus populációk együttműködése az alapja a szenzoros ingerek thalamikus feldolgozásának, valamint egyes fiziológiás agyi ritmusoknak, mint az alvási orsók. Az egyensúly felborulása patológiás állapotokhoz vezethet, mint az petit mal (absence) epilepszia, a Parkinson-kór, vagy a krónikus fájdalom szindróma.
A hálózatok fontossága ellenére kapcsolt serkentő-gátló sejtpárok in vivo elvezetése nagyon bonyolult. jelen pályázatban egy új módszert mutatunk be, mely segítségével egyidejűleg vezethetünk el thalamikus relésejtekből, és az őket gátló thalamikus retikuláris sejtek axonterminálisaiból. Ez lehetővé teszi, hogy a hálózat mindkét komponensét megfigyeljük, mind alapaktivitás, mind farmakológiai manipulációk alatt, így segítve a gyógyszerkutatást.
A módszer sejtek sokcsatornás szilikon eletródokkal történő elvezetésén és az egyedi sejtek szétválasztásán alapul, mely technikát a thalamuszban elsőként alkalmazunk.


–A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára

A thalamusz a fő átkapcsoló állomás a periféria és az agykéreg között, gyakorlatilag minden külvilágból érkező információ itt halad keresztül. Részt vesz az alvás-ébrenléti ritmusok kialakításában, károsodott funkciója pedig több idegrendszeri betegség kialakulásában játszik szerepet, mint az absence epilepszia (kisroham), Parkinson-kór, vagy a krónikus fájdalom szindróma.
A thalamusz működésének megértéséhez elengedhetetlen sok idegsejt aktivitásának egyidejű vizsgálata. Jelen kutatásban Magyarországon először egy olyan, más agyterületeken már kipróbált módszert vezetünk be a talamuszban, mely lehetővé teszi idegsejt-hálózatok megfigyelését, és az egyedi idegsejtek aktivitásának szétválasztását. A hálózatok aktivitásának ismerete a thalamikus eredetű neurológiai betegségek hatékonyabb gyógyításához teremti meg az alapot.
Summary
– Summary of proposed research including key goals for scientifically qualified
assessors

Balance of excitation and inhibition underlies all neural functions, yet dissection of the ensemble activity in interconnected excitatory and inhibitory networks in vivo poses a major problem.
In this proposal I develop a novel method to simultaneously record and analyze a synaptically coupled population of excitatory and inhibitory neurons. Using this method it will be possible, for the first time, to examine these coupled networks in vivo during normal and pathological oscillatory activity.
With multichannel silicon electrodes it is possile to simultaneously record activity of excitatory thalamic relay cells and the axon terminals of coupled inhibitory thalamic reticular cells. The key goal is to examine how excitatory-inhibitory interaction lead to the emergence, maintenance and termination of behaviorally relevant oscillatory pattern. To this end, the exact timing of population events, synchrony among the constituents of the network, the spatio-temporal organization of oscillatory activity and the initiation and spreading of local network patterns will be characterized.
Population activity in different thalamic nuclei with characteristically different connectivity will also be examined.
The data will provide basic information about the rules that govern population activity of a neuronal network in vivo and will lead to the understanding of the biological basis of pathological network oscillations.


– What is your research question?

Recording interconnected network of excitatory and inhibitory cells allows us to address the following questions: What is the sequence of activity in a large population of excitatory and inhibitory cells? How the activity of one neuronal population affects the magnitude and synchrony of the other population?
How different cell populations are phase locked to various rhythms? What is the interaction among local and global oscillations? By answering this question I will test the hypothesis that that local neuronal populations can switch between local and global oscillations depending on the ongoing network activity.
Thalamus consists of nuclei which receive its major driving inputs from subcortical centers or from cortical layer V pyramidal cells. By recording from different nuclei I will test the hypothesis that ensemble activity and its relationship to cortical activity depends on the exact type of cortical input a nucleus receive.
Finally, I will compare the regular oscillatory activity recorded during the stable condition of anesthesia with that of the more variable freely sleeping state. I will test the hypothesis that small perturbations in interacting local network underlie global variability in the activity.


– What is the significance of your research?

The interplay of excitatory and inhibitory populations in the thalamus underlies the thalamic processing of sensory inputs, as well as physiological oscillations, such as sleep spindles. The tilting of the balance in the thalamus can contribute to several pathological conditions, like petit mal (absence) epilepsy, can contribute to Parkinson’s disease, or chronic pain syndrome.
Despite the importance of these interactions, it is extremely difficult to monitor in vivo the activity of mutually interconnected excitatory-inhibitory cell pairs. Here we propose a novel method, which allows us to record simultaneously from multiple relay cells, and the axon terminals of nRt cells inhibiting them. This would allow researchers to observe the effect of pharmacological manipulation on both element of, as well as the whole circuitry, thus aid the development of novel drugs.
The method is based on multisite recording of population activity using silicon electrodes, followed by the identification of signals originating from single neurons, and is implemented for the first time in the thalamus.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Pályázatunk során megvizsgáltuk reciprok kapcsolt serkentő és gátló populációk viselkedését alvási oszcillációk alatt, valamint genetikai és optogenetikai manipulációk hatására. Eredményeink: 1) Kidolgoztunk egy módszert, mellyel sokcsatornás, szilikon elektródos elvezetéseken a talamuszból szimultán regisztrálható mind a serkentő, mind a hozzájuk topografikusan kapcsolt gátló populációk aktivitása, altatott, illetve krónikusan beültetett, természetesen alvó állatokban. 2) Megvizsgáltuk a serkentő- és a gátlósejtek aktivitási mintázatait alvási orsó oszcillációk alatt. A két sejttípus az orsók folyamán eltérő tüzelési mintázatokat produkál. Az oszcilláció vége előtt a gátlás erőssége meredeken csökken, ami az orsók terminációs mechanizmusának alapját képezi. 3) A szinaptikus gátlást indukált génkiütéssel megszüntetve a talamuszban, az alvási oszcillációkat változatlannak találtuk, eredményeink alapján az extraszinaptikus gátlás ezen állapotokban át tudja venni annak szerepét. 4) A talamikus gátlósejtek optogenetikai ingerlésével alvási orsókat váltottunk ki. A kiválthatóság a hálózati állapottól, és a stimulus erősségétől volt függő, az orsó paraméterei viszont csak az adott hálózati állapottól. Eredményeink új megvilágításba helyezik az alvási EEG ritmusok keletkezését, és elősegítik az alvás jobb megértését.
Results in English
In this project we examined the behavior of reciprocally coupled excitatory and inhibitory populations during sleep oscillations, as well as in response to genetic and optogenetic manipulations. 1) We developed a method to simultaneously record the activity of topographically coupled excitatory and inhibitory thalamic populations with multichannel silicon electrodes, in both anesthetised, and chronically implanted, naturally sleeping animals. 2) We examined the activity patterns of excitatory and inhibitory thalamic neurons during sleep spindle oscillations. The two cell types produce distinct firing patterns in the course of spindles. Strength of inhibition drops before the end of the oscillations, constituting the basis of spindle termination. 3) By deleting synaptic inhibition in the thalamus with inducible knockout technology, we found sleep oscillations unaltered. We found that extrasynaptic inhibition can take over the role of synaptic inhibition in these states. 4) We induced spindles by optogenetic stimulation of thalamic inhibitory neurons. Inducibility was a function of both network state and stimulus intensity, on the other hand, parameters of the induced spindles depended solely on the network state. Our results shed a new light on the generation of sleep EEG rhythms, and may lead to a better understanding of sleep in general.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101773
Decision
Yes





 

List of publications

 
Bartho P., Slezia A., Ulbert I., Matyas F., Harris K.D., and Acsady L.: Sleep Spindle Dynamics In Somatosensory Thalamus, FENS Abstract, Volume 6, p131.02, 2012, 2012
Luczak A, Barthó P: Consistent sequential activity across diverse forms of UP states under ketamine anesthesia, European Journal of Neuroscience, 2012
Bermudez Contreras EJ, Schjetnan AG, Muhammad A, Barthó P, McNaughton BL, Kolb B, Gruber AJ, Luczak A.: Formation and Reverberation of Sequential Neural Activity Patterns Evoked by Sensory Stimulation Are Enhanced during Cortical Desynchronization., Neuron, 2013
Luczak A, Barthó P, Harris KD.: Gating of sensory input by spontaneous cortical activity., Journal of Neuroscience, 2013
Barthó P., Slézia A., Harris K.D., Mátyás F., Ulbert I. & Acsády L.: Sleep spindle dynamics in the thalamus are determined by inhibition, Gordon Research Conference on Inhibition, Les Diablerets, Switzerland, 2013
Rovó Z, Mátyás F, Barthó P, Slézia A, Lecci S, Pellegrini C, Astori S, Dávid C, Hangya B, Lüthi A, Acsády L: Phasic, nonsynaptic GABA-A receptor-mediated inhibition entrains thalamocortical oscillations, Journal of Neuroscience, 2014
Barthó P, Slézia A, Mátyás F, Faradzs-Zade L, Ulbert I, Harris KD, Acsády L: Ongoing network state controls the length of sleep spindles via inhibitory activity, Neuron, 2014
Vandecasteele M, Varga V, Berényi A, Papp E, Barthó P, Venance L, Freund TF, Buzsáki G: Optogenetic activation of septal cholinergic neurons suppresses sharp wave ripples and enhances theta oscillations in the hippocampus, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 2014




Back »