Glutamatergic neurons in the median raphe: a novel subcortical modulator of behavior  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109790
Type K
Principal investigator Varga, Viktor
Title in Hungarian Glutamáterg neuronok a nucleus raphe medianus-ban: egy új kéreg alatti modulátor
Title in English Glutamatergic neurons in the median raphe: a novel subcortical modulator of behavior
Keywords in Hungarian glutamát,szerotonin,optogenetika,viselkedés,neuronhálózat
Keywords in English glutamate,serotonin,optogenetics,behavior,neural network
Discipline
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Laboratory of Cerebral Cortex Research (Institute of Experimental Medicine)
Participants Domonkos, Andor
Hangya, Balázs
Jelitai, Márta
Sós, Katalin
Starting date 2013-09-01
Closing date 2018-08-31
Funding (in million HUF) 35.403
FTE (full time equivalent) 5.80
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A felszálló szerotoninerg rendszer, a legkomplexebb kéreg alatti modulátor, nélkülözhetetlen a normál agyműködéshez. Az utóbbi években jelentős glutamáterg komponenst fedeztek fel a szerotoninerg rendszerben, mely rendkívül hatékonyan, rövid látenciával és célelem-specifikusan hat az innervált területek hálózatára. A szerotoninnal kolokalizáló glutamát mellett tisztán glutamáterg neuronok és jelentős glutamáterg terminális felhő lokalizálható a raphe magvakban, főleg a nucelus raphe medianus-ban (MR). Ezen neuronok altatott állatban komplex, a kérgi állapotátmenetekhez kapcsolt aktivitásmintázatot mutatnak. Különböző viselkedések alatti tüzelésük azonban nem ismert. Továbbá egyáltalán nincs adat azonosított MR neuronok viselkedésfüggő aktivitásáról. Hipotézisünk szerint a MR glutamáterg neuronjainak szerepe lehet a gyors viselkedésváltozásokban és a MR-hálózat ezek alatti áthangolásában. Az előbbiek alapján meg szeretnénk határozni a MR glutamáterg és nem glutamáterg neuronjainak viselkedéshez kapcsolt aktivitását sokcsatornás elvezetést, a viselkedés nagy felbontású regisztrálását és a különböző neurontípusok optikai megjelölését kombináló megközelítéssel. Elemezni fogjuk továbbá a raphe hálózatán belül viselkedésfűggően kialakuló kölcsönhatásokat és a glutamáterg neuronok hatását ezek létrejöttére. Eredményeink feltárhatják a felszálló szerotoninerg rendszer egy eleddig ismeretlen, jelentős serkentő komponensének lehetséges szerepét az agyműködés gyors áthangolásában. Ezen felül szinkron aktív neuronokból álló funckionális csoportok azonosítása teljesen új adatokkal szolgálhat a kéreg alatti modulátorok által kódolt információk azonosításához.

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.

Glutamáterg neuronok nagy számban fordulnak elő a felszálló szerotoninerg rendszer kiindulási magjaiban, főleg a MR-ban. Funckiójukról, azaz hogy milyen viselkedések szabályozásában vesznek részt, azonban semmi sem tudható. Korábbi kísérleteink alapján feltételezzük, hogy ezen neuronok kérgi és helyi, MR célhálózataik működését állíthatják át rövid késleltetéssel az állat környezetében bekövetkező hirtelen változások hatására. Esetleg szerepük lehet a MR-ba érkező bemenetek változó serkentő tónussá alakításában és ezáltal a célneuron-csoportok működésének összehangolásában. Kísérleteinkben az előbbi hipotézisek alapján a következő felvetéseket tervezzük vizsgálni: i) a MR glutamáterg neuronjai azonosítható viselkedésekhez kapcsolt tüzelési aktivitást mutatnak; ii) a viselkedések mellett, az azok során megjelenő kérgi aktivitásmintázatokhoz is kapcsolódnak; iii) aktivitásuk félelmi reakciókhoz is kötődhet; iv) a szerotoninerg és glutamáterg neuronok aktivitásával korreláló viselkedési események eltérhetnek; v) a glutamáterg neuronok viselkedés és / vagy agyi állpot-függően serkenthetik a szerotoninerg neuronokat; vi) a glutamáterg neuronok hozzájárulhatnak szinkron tüzelő neuronokból álló funckionális sejtcsoportok (cell assembly) kialakulásához.

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 felszálló szerotoninerg rendszer kulcsfontosságú számos agyi alrendszer normál működéséhez. Károsodása pszichiátriai betegségek széles spektrumához vezet. Az elmúlt évtizedben a glutamáterg ingerületátvitel szerotoninerg rendszerben betöltött jelentős szerepére derült fény. A felszálló szerotoninerg rendszer központjaiban jelentős glutamáterg neuronhálózatot lokalizáltak. Ezen neuronok kommunikációja merőben eltér a szerotoninerg rendszerben megfigyelttől: célneuronjaikat gyorsan és hatékonyan, szinaptikus kapcsolatokon keresztül képesek serkenteni. Ellentétben a lassan, szabályosan tüzelő szerotoninerg neuronokkal a glutamáterg sejtek magasabb frekvenciával, irregulárisan tüzelnek, komplex, kérgi oszcillációkhoz kapcsolt mintázatokat hozva létre. Ezen adatok alapján a glutamáterg neuronok képesek lehetnek kérgi mintázatok nagy időfelbontású modulálására, esetleg gyors állapotátmenetek indukciójára. Fontos megfigyelés, hogy a glutamáterg pálya az érzelmi információk feldolgozásához köthető kérgi gátló neurontípusokat idegzi be, így szerepe lehet ezen információk kérgi hálózatokhoz juttatásában. Így a MR glutamáterg projekciójának kóros működése a kérgi gátlás diszfunkciójához és végső soron kóros állapotok kialakulásához vezethet. A glutamáterg neuronok funkciójának felderítéséhez a legközvetlenebb megközelítést választjuk: feltárjuk azon aktivitási állapotokat / viselkedési eseményeket, melyekhez kapcsoltan ezen neuronok tüzelnek. Másik fő célunk hálózati aktivitásmintázatok keresése a MR-ban, mely kulcsfontosságú és teljességgel hiányzó információkat tárhat fel a kéreg alatti modulációs mintázat kialakulási mechanizmusairól. Így a teljesen ismeretlen glutamáterg neuronpopuláció MR-hálózatban betöltött szerepének felderítésén túl eredményeink jelentősen hozzájárulhatnak a kéreg alatti modulátorok működésének megértéséhez.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Az élőlények folytonosan változó környezetben élnek. Az idegrendszer kulcsfeledata a viselkedés külső ingerek és belső állapot függvényében történő hangolása. Időről-időre előre nem látható, veszélyes események történnek, melyek bekövetkeztét hirtelen jelentkező intenzív ingerek jelzik, mint pl. egy robbanást kísérő robaj. Mindezen események az agyműködés gyors átállítását idézik elő, mely nélkülözhetetlen a megváltozott helyzethez való alkalmazkodáshoz. Az úgynevezett kéreg alatti modulátoros pályák, mint amilyen a szerotoninerg, nélkülözhetetlenek az agyi állapotváltozások szabályozásában. Kóros működésük olyan súlyos pszichiátriai betegségek hátterében mutatható ki, mint pl. a depresszió vagy a szorongásos kórképek. A közelmúltban másokkal együtt felfedeztünk egy új típusú modulációt a szerotoninerg rendszerben, mely glutamátot használ ingerüleltátvivő molekulaként, és amelynek tulajdonságai ideálisak az agyműködés vészhelyzetben történő optimális működési módba kapcsolásához. A tervezett munkában az egyik fő szerotoninerg központban található glutamáterg neuronokat, a gyors átkapcsolásért felelős sejtcsoportot szeretnénk vizsgálni. Reményeink szerint felderíthetjük egy eddig ismeretlen és a megjósolhatatlanul bekövetkező veszélyes helyzetekhez való alkalmazkodásban valószínűleg kulcsfontosságú neurontípus tulajdonságait, és egyben hozzájárulhatunk a pszichiátriai megbetegedések kialakulási mechanizmusainak megértéséhez.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The ascending serotonergic system, the most complex subcortical modulator, is indispensable for normal brain operation. Recently, it has been reported to contain a significant glutamatergic component shown to exert a rapid and powerful, target-specific excitatory effect. Purely glutamatergic neurons as well as a massive number of glutamatergic terminals are co-located with serotonergic cells within the raphe nuclei, especially in the median raphe (MR). These neurons exhibit a complex set of activity patterns coupled to cortical state transitions in anesthetized animals. However, activity of these neurons in the behaving animals is unknown. Moreover, despite decades of extensive research, behavior-related discharge pattern of identified MR neurons is yet to be explored. We hypothesize that glutamatergic neurons in the MR may be coupled to rapid switches of behaviors and the correlated adjustment of the MR network. Thus, we aim to determine the behavioral-coupled activity of glutamatergic and non-glutamatergic neurons of the MR by utilizing multichannel recording, high resolution behavioral monitoring and optical tagging of neurochemically distinct neuron groups. We will also analyze interaction patterns in the raphe network emerging during different behavioral stages and the influence of glutamatergic neurons on other MR neuron types. Our results will unravel the function of a significant excitatory component of the ascending serotonergic system capable of rapidly tuning brain operations. Furthermore, detecting cell assemblies in the MR would open entirely new perspectives in finding the information a subcortical modulatory system codes.

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.

Glutamatergic neurons are abundant in the source nuclei i.e. the midbrain raphe of the ascending serotonergic system, particularly in the MR. However, nothing is known about their function namely, what types of behaviors they may regulate. Based on our previous experiments we hypothesize that the glutamatergic neuron population of the MR may perform the task of rapidly switching activity states of its targets both in the cortex and locally in the MR especially in response to sudden changes in the animal’s environment. Alternatively, transformation of various inputs to a fluctuating excitatory tone impinging upon the raphe network and synchronizing its targets can also be the function of the MR glutamatergic cell population. In the proposed study, we plan to test the following assumptions derived from the above hypothesis: i) glutamatergic neurons in the MR exhibit firing activity coupled to identifiable behavioral responses; ii) besides correlation with behavioral states, glutamatergic neurons may be coupled to behavior-dependent cortical activity patterns iii) some behavioral responses may be fear-related; iv) the set of behaviors these neurons are coupled to can be distinguished from the behaviors related to serotonergic activity; v) glutamatergic neurons excite the serotonergic population in a behavior and/or brain state-dependent manner; vi) glutamatergic neurons may contribute to the formation of neuronal ensembles composed of co-active neurons in the MR.

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 ascending serotonergic system is critical for the normal operation of several brain systems. Dysfunction of serotonergic neurotransmission leads to a wide range of psychiatric symptoms. In the past decade glutamate was shown to significantly contribute to the output of the main serotonergic centers i.e. the midbrain raphe nuclei in which, besides glutamate-releasing serotonergic neurons, a significant network of purely glutamatergic cells was localized. Mode of communication by glutamate-releasing raphe cells was shown to be in sharp contrast to that reported for serotonergic neurons i.e. synaptic, rapid, effectively and specifically activating a subset of inhibitory cortical cells. As opposed to the regular, tonic, slow activity of the majority of serotonergic neurons, glutamatergic MR cells fire at higher frequency producing a complex pattern coupled to cortical state transitions. These findings imply that glutamatergic MR neurons may be capable of either shaping cortical oscillatory patterns or abruptly switching between activity states. Importantly, glutamatergic axons from the MR, of which some contain serotonin, exclusively synapse on a subset of cortical interneurons hypothesized to be part of the emotional state regulating circuitry. Consequently, the glutamatergic output of the raphe may be a key component of inputs carrying emotionally salient information to the cortex and its aberrant functioning may corrupt inhibition, ultimately leading to various disease states. We will follow the most direct way of unraveling the function of the glutamatergic neuron group i.e. the identification of activity states / behaviors the neuronal discharge is correlated with. Moreover, one of our major aims i.e. the uncovering of brain / behavioral state-dependent network-level phenomena in the MR, would provide crucial and almost entirely missing information about the network interactions generating the output of modulatory nuclei. Thus, besides determining the function of glutamatergic neurons of the MR, a totally unknown component of subcortical modulation, our results may significantly advance the understanding of the operation of a subcortical modulatory network.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Organisms live in a continuously changing environment. The key function of the nervous system is to adjust the animal’s behavior as a function of external influences and its internal state. From time to time, unpredictable and potentially dangerous events happen signaled by abruptly occurring and usually intense sensory stimuli like the sound of an explosion. All these events evoke readjustment of brain operation aiming to cope with the changed situation. So called subcortical modulatory pathways such as that utilizes serotonin as neurotransmitter are indispensable for regulating brain state transitions. Their disfunction leads to severe psychiatric syndromes e.g. mood or anxiety spectrum disorders. We have recently discovered a novel type of modulation ideally suited to instantaneously switch the brain to an emergency mode of operation. In the proposed research we would like to investigate glutamatergic neurons in one of the main serotonergic centers, the neurons potentially responsible for this fast modulation. We hope that our results will disclose characteristics of a yet unknown neuron population, crucial among others, for coping with unforeseen dangerous situations and also our research will contribute to the understanding of how alteration of subcortical modulation results in psychiatric diseases.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A felszálló szerotoninerg rendszer nélkülözhetetlen az agy normál működéséhez. A közelmúltban jelentős, a célterületeket nagy időfelbontással és hatékonyan serkenteni képes és a szerotoninnal együtt előforduló glutamáterg komponenst mutattak ki. Célunk a memóriafolyamatok modulációjában kulcsszerepű egyik fő szerotoninerg magban, a median raphe-ban található glutamáterg neuronok viselkedésfüggű aktivitásának vizsgálata volt. A kutatási terv megvalósítása során új technikákat vezettünk be: i) nagy felbontású 3-dimenziós sok-kamerás mozgáskövetést; ii) teljes-sejt foltzár elvezetést fejbefogott, viselkedő állatban; iii) nagysűrűségű elektródmátrix-szal történő elvezetést fejbefogott állatban neuronok optikai jelölésével / azonosításával kombinálva. Kimutattuk, hogy a hippokampusznak, az agy "memóriaközpontjának" eltér a működési állapota a felfedező viselkedés kulcseleme, az ágaskodás alatt az exploráció más fázisaiban mérhetőtől. Kimutattuk a median raphe glutamáterg neuronjainak ébresztett agyi állapotokhoz való szoros kapcsoltságát altatott állatokban. Megfigyeltük a MR egyes glutamáterg és helyi GABAerg neuronjainak gyors aktivitásváltozását a hippokampális éleshullám-fodrok alatt viselkedő, fejbefogott állatban. Felfedeztük, hogy a glutamáterg neuronok egy alcsoportja gyorsabban reagál kellemetlen mint semleges ingerre. Végül kimutattuk a MR neuronhálózati aktivitásának időleges átrendeződését kellemetlen inger adása alatt.
Results in English
The ascending serotonergic system, the most complex subcortical modulator, is indispensable for normal brain operation. Recently, a significant glutamatergic component has been observed to co-exist with serotonin and was shown to exert a rapid and powerful excitatory effect on its targets. We aimed to determine the behavior-coupled activity of glutamatergic and non-glutamatergic neurons of the Median Raphe (MR), a key modulator of the brain’s memory circuitry and a main source of serotonin. We have implemented novel techniques: i) high resolution three-dimensional tracking by multi-camera motion capture; ii) whole cell patch clamp recording in head-fixed, behaving animals; iii) combination of the head-fixed recording condition with sampling of the median raphe network by high density electrode arrays and optical tagging. We showed that the operational state of the hippocampus, the center of the brain’s memory circuit, is different during rearing compared to other components of exploration. We showed that glutamatergic MR neurons’ activity is positively correlated with aroused states in the anesthetized animals. We observed the tight temporal coupling of a subpopulation of glutamatergic and local GABAergic neurons to hippocampal sharp wave ripples in behaving head-fixed mice. We also detected faster response to salient than to neutral stimuli of certain glutamatergic neurons. Finally, we showed the transient reorganization of activity in the raphe network by salient stimuli.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109790
Decision
Yes





 

List of publications

 
Domonkos A, Nikitidou Ledri L, Laszlovszky T, Cserép C, Borhegyi Z, Papp E, Nyiri G, Freund TF, Varga V: Divergent in vivo activity of non-serotonergic and serotonergic VGluT3-neurones in the median raphe region., The Journal of Physiology, 2016
Barth AM, Domonkos A, Fernando-Ruiz A, Freund TF, Varga V: Hippocampal network dynamics during rearing episodes, Cell Reports, 2018





 

Events of the project

 
2017-11-09 13:15:06
Résztvevők változása
2017-06-16 09:52:09
Résztvevők változása
2014-10-07 12:16:15
Résztvevők változása




Back »