Szinapto-dendritikus jelfeldolgozás szerepe a hippokampális információkódolásban
Title in English
Synapto-dendritic processing involved in hippocampal memory coding
Keywords in Hungarian
idegrendszer, emlékezés, idegsejt
Keywords in English
neuron, learning, network
Discipline
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)
90 %
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Ortelius classification: Neurobiology
Panel
European Reserach Council (ERC)
Department or equivalent
LendületLaboratory of Neuronal Signaling (Institute of Experimental Medicine)
Starting date
2016-07-01
Closing date
2018-02-28
Funding (in million HUF)
44.928
FTE (full time equivalent)
0.83
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Kutatási programunk célja az emléknyomok hippokampális kódolásának alapjául szolgáló idegsejt „ensemble” kialakulásában szerepet játszó sejtszintű mechanizmusok feltárása. Ennek érdekében élvonalbeli in vitro (patch-clamp elvezetés, két-foton mikroszkópos képalkotó és stimuláló technikák akut agyszeletben), in vivo (képalkotó, patch-clamp és optogenetika) valamint in silico (számítógépes modellezés) módszerek kombinálásával a jelen pályázat időtartama alatt a következő célok megvalósítását fogjuk megkezdeni:
1. cél: A hippokampális piramissejt „ensemble” kialakulásával együtt járó szinaptikus és dendritikus változások feltárása. A nemrég kifejlesztett CAMPARI módszer (Fosque et al., 2015 Science) alkalmazásával tanulási feladatot végző rágcsálókban a feladat alatt aktív sejteket tartósan megjelöljük, majd post hoc célzottan vizsgáljuk az azonosított sejtekben bekövetkezett szinaptikus és dendritikus tulajdonság változásokat akut szeletben.
2. cél: Kooperatív szinaptikus interakciók jellemzése hippokampális CA1 piramissejtek kis dendrit kompartmentjeiben in vitro és in vivo. Akut agyszeletben felderítjük a koaktív szinapszisok részlegesen klaszterezett elrendezésének hatását a szinaptikus Ca2+ jelátvitelre és plaszticitásra, valamint in vivo képalkotó módszerrel vizsgáljuk a kis szinapszis klaszterek hosszútávú fennmaradását.
3. cél: A szinaptikus integráció szerepének felderítése a hippokampális CA3 piramissejtek információ-kódolásában. Fejrögzített, futószalagon mozgó egérben in vivo patch-clamp elvezetéssel vizsgáljuk CA3 piramissejtekben a szinaptikus bemenetek és az aktív integrácós tulajdonságok részvételét a térspecifikus kódolás kialakításában.
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. Az idegtudomány egyik alapvető kérdése, hogyan képes az idegi sejthálózat életünk folyamatosan változó eseményeit, tapasztalatait emlékekként rögzíteni és tárolni. A tanulási folyamatokban kritikusan fontos agyterületen, a hippokampuszban a külvilágból érkező információk kódolása térben elszórtan elhelyezkedő idegsejtcsoportok összehangolt aktivitása révén történik („ensemble” kód). Az információkódoló sejtcsoportok kialakulásának sejtszintű mechanizmusai kevéssé ismertek. Korábbi, rágcsáló agyszeletben végzett kutatásaink feltárták azon alapvető szinaptikus és dendritikus integráló mechanizmusokat, melyek lehetővé teszik a hippokampusz CA1 és CA3 piramissejtjeinek dendritjeiben lokális aktív feszültségjelek, ún. dendritikus spike-ok kialakulását erőteljes szinkron szinaptikus bemenet hatására. Friss irodalmi adatok szerint a funkcionálisan összetartozó szinapszisok gyakran kis csoportokban (klaszterekben) helyezkednek el a dendriteken, ami arra utal, hogy a spike küszöbét el nem érő helyi szinapto-dendritikus interakciók is hozzájárulhatnak az idegsejtek komputációs működéséhez. Hipotézisünk szerint az idegsejt „ensemble” kialakulását mind a szinaptikus tulajdonságok, mind a korrelált szinaptikus jelek lokális dendritikus feldolgozásának dinamikus változásai elősegítik. Kutatási programunk célja ezen sejtszintű mechanizmusok feltárása.
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! Az idegrendszer kutatása az alapkutatások leggyorsabban fejlődő ága. A kísérleti módszerek fejlődésének köszönhetően korábban elképzelhetetlen részletességgel vizsgálhatjuk az idegi hálózat működésének sejtszintű alapmechanizmusait. A hippokampusz információkódoló sejtpopulációinak kialakulását elősegítő szinaptikus és dendritikus változások feltárása (1. cél), a funkcionálisan összetartozó, egymáshoz közeli szinapszisok közötti kooperatív interakciók jellemzése (2. cél), valamint a szinaptikus integráció a CA3 piramissejtek térspecifikus kódolásában játszott szerepének felderítése (3. cél) révén kutatási programunk közvetlenül hozzájárul a tanulás és emléktárolás sejt- és hálózati szintű alapjának, az idegrendszer óriási komputációs kapacitásának megértéséhez. A neuronhálózat funkcionális szerveződését és élettani működését meghatározó alapvető elvek megismerése új stratégiai utakat nyithat meg az idegrendszer kóros működéséből eredő idegi zavarok kezelésében.
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 idegtudomány egyik alapvető kérdése, hogyan képes az idegi sejthálózat életünk eseményeit emlékekként rögzíteni és tárolni. A tanulási folyamatokban kritikusan fontos agyterületen, a hippokampuszban a külvilágból érkező információk kódolása térben elszórtan elhelyezkedő idegsejtcsoportok összehangolt aktivitása révén történik. Az információkódoló sejtcsoportok kialakulásának sejtszintű mechanizmusai kevéssé ismertek. Korábbi, rágcsáló agyszeletekben kapott eredményeinkre alapozott hipotézisünk szerint a kódoló idegsejtcsoportok kialakulását mind a sejtek közötti kapcsolatok (szinapszisok) tulajdonságainak, mind az összehangoltan beérkező szinaptikus jeleknek az idegsejtek nyúlványaiban (dendritek) történő helyi feldolgozásának változásai segítik elő. Kutatási programunkban élvonalbeli in vitro, in vivo és in silico módszerek kombinálásával rágcsáló kísérletes modellekben a következő kérdések vizsgálatát fogjuk megkezdeni a jelen pályázat időtartama alatt:
1) Milyen változások következnek be a szinaptikus és dendritikus tulajdonságokban tanulási feladatot végző állatban az információkódoló sejtcsoportok kialakulása során?
2) Milyen helyi kölcsönhatások alakulnak ki a (friss irodalmi adatok szerint gyakran egymáshoz közel elhelyezkedő) funkcionálisan hasonló szinapszisok között?
3) Milyen szinaptikus és dendritikus jelintegrációs mechanizmusok segítik elő egy adott hippokampális idegsejt bekapcsolódását egy információkódoló sejtcsoportba tanulási folyamatok során?
Ezen kérdések megválaszolásával a javasolt kutatási program elősegíti az agy kivételes információfeldolgozási és tárolási képességét megalapozó sejt- és hálózati szintű mechanizmusok megértését.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Our general goal is to understand the cellular mechanisms underlying the formation of hippocampal memory-coding neuronal ensembles. In the timeframe of the current proposal, we will use in vitro (patch-clamp recordings, two-photon imaging and glutamate uncaging in acute slices), in vivo (imaging, patch-clamp and optogenetics) and in silico (computational modeling) approaches to begin to work upon the following specific aims:
Aim 1. To elucidate the role of changes in synaptic and dendritic properties in the formation of hippocampal pyramidal cell ensembles by activity-dependent labeling. Using the novel CAMPARI technique (Fosque et al., 2015 Science) in rodents, we will in vivo permanently label neurons that are active during a learning-related behavioral paradigm, followed by post hoc targeted investigation of activity-related changes in synaptic and dendritic properties of labeled neurons in acute slices.
Aim 2. To characterize cooperative synaptic interactions in small dendritic compartments of hippocampal CA1 pyramidal neurons in vitro and in vivo. We will investigate synaptic Ca2+ signaling and plasticity in small clusters of coactive synaptic inputs in hippocampal pyramidal neurons in acute slices. We will explore the impact of clustered synaptic activation on synapse survival using in vivo imaging.
Aim 3. To investigate the role of synaptic integration in environmental feature coding by hippocampal CA3 pyramidal neurons in vivo. We will investigate the contribution of mossy fibre synaptic inputs and active dendritic integration by dendritic spikes to instruct place field selectivity of CA3PCs using in vivo patch-clamp recordings in awake head-fixed mice.
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. Understanding how experiences become memories is a fundamental goal of neuroscience. During episodic memory formation, the mammalian hippocampus transforms external information into a hippocampal network code, represented by ensembles of sparse and distributed groups of neurons with correlated activity. The cellular and network mechanisms leading to the formation of hippocampal information-coding ensembles are poorly understood. In our previous work we characterized the fundamental synaptic and dendritic properties facilitating active nonlinear synaptic integration by local dendritic spikes in rodent hippocampal CA1 and CA3 pyramidal neurons in the acute hippocampal slice preparation. Recent data also suggest fine clustering of small numbers of functionally related synapses, indicating that local synaptic interactions subthreshold to dendritic spikes also contribute to neuronal computatations. Our main hypothesis is that ensemble function is promoted by the concerted changes in both synaptic properties and the local dendritic integration of multiple correlated synaptic inputs. Our research program will elucidate the contribution of these mechanisms experimentally.
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. Neuroscience is the most rapidly developing field in basic scientific research. Technical developments now allow addressing questions about the cellular basis of neuronal network functions with unprecedented precision. By elucidating the synaptic and dendritic changes that facilitate the formation of hippocampal information-coding ensembles (Aim 1), fine cooperative interactions of colocalized synapses activated in different patterns (Aim 2), and the role of input integration in feature selectivity of CA3 pyramidal neurons (Aim 3), the proposed research will significantly advance our concept of the cellular and microcircuit mechanisms contributing to the computational repertoire and enormous storage capacity of the mammalian brain. Understanding the fundamental principles, building blocks and physiological operation of neuronal networks may bring new intervention strategies to treat disfunctions of this complex system.
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. Understanding how experiences become memories is a fundamental goal of neuroscience. During episodic memory formation, the brain region called hippocampus plays a crucial role in transforming information about the outside world into a neuronal network code, represented by ”ensembles” of groups of neurons with correlated activity. The cellular and network mechanisms leading to the formation of such hippocampal information-coding ensembles are poorly understood. Based on our previous work, our main hypothesis is that ensemble function is promoted by the concerted changes in both the properties of the information-transmitting connections (synapses) between neurons, and local nonlinear integration of signals from multiple correlated synapses in the information-receiving neuronal processes (dendrites). In the timeframe of the current proposal we will combine cutting-edge in vitro, in vivo and in silico experimental approaches in rodents to begin to work upon addressing the following questions:
1) Do specific changes in synaptic and dendritic properties accompany the in vivo formation of information-coding neuronal ensembles?
2) How do small clusters of functionally related neighboring synapses (an innervation pattern suggested by recent data) interact with and strengthen each other?
3) What are the synaptic and dendritic integration mechanisms promoting the recruitment of a particular hippocampal pyramidal neuron into an ensemble representation during memory formation?
By addressing these questions, the proposed research will directly advance our concept of the cellular and microcircuit mechanisms contributing to information processing and storage in the brain.
Final report
Results in Hungarian
A pályázat fő célkitűzésének megfelelően Makara Judit ismét jelentkezett a 2017-es ERC Consolidator pályázatra, amelyet sikeresen elnyert.
A specifikus célokban elért eredmények:
1. cél: Beállítottunk egy új módszert (CaMPARI) hippokampális idegsejtek aktivitásfüggő jelölésére. Karakterizáltuk a CAMPARI jelölést CA3 piramissejteken in vitro. Az in vivo CaMPARI optikai aktivitásfüggő jelöléshez térbeli navigációs viselkedési paradigmát és metodikát dolgoztunk ki.
2. cél: Meghatároztuk a lokális nemregeneratív kooperatív LTP-hez szükséges minimális szinkron inputmintázatot különböző távolságú dendritszakaszokon CA1 piramissejtekben. Felderítettük a lokális dendritikus spike-ok szerepét a kooperatív LTP-ben. Kimutattuk, hogy a kooperatív LTP kialakulásának feltételei erősen függenek az inputok térbeli elrendezésétől és a dendrit lokális elektromos válaszától.
Az LTP alatt dendritikus spike kiváltása esetén NMDA receptor függő, lokális heteroszinaptikus potencírozódást tapasztaltunk, melynek vizsgálatát folytatjuk. Számítógépes modellben megvizsgáltuk a szinapszis klaszterek szomatikus membránpotenciálra gyakorolt hatását realisztikus inputmintázatok esetén.
3. cél:
Jó minőségű előzetes teljes-sejt current-clamp méréseket végeztünk hippokampális idegsejtekből altatott és éber fejrögzített egérben. Virtuális valóság rendszert állítottunk be a térkódolási tulajdonságok vizsgálatára.
Results in English
Consistent with the main aim of the grant, Judit Makara submitted a new application for ERC Consolidator 2017 grant, and her proposal was retained for funding.
Results achieved in the specific aims:
Aim 1. We optimized a new activity-dependent labelling method (CaMPARI) for hippocampal application. We verified activity-dependent labeling of CA3 pyramidal neurons by CaMPARI in vitro. We developed a spatial navigation paradigm and methodology for in vivo CaMPARI optical activity-dependent labeling.
Aim 2. We determined the minimal input pattern requirements for local nonregenerative cooperative LTP at distal and proximal dendritic locations of CA1 pyramidal cells. We elucidated the role of local dendritic spikes in cooperative LTP. We established that the rules of cooperative synaptic plasticity fundamentally depend on the spatial pattern of input and the local electrical response of dendrites. We found that evoking dendritic spikes during LTP induction triggers NMDA receptor dependent heterosynaptic local potentiation. Using computational modelling we explored the impact of synaptic clusters on somatic membrane potential upon realistic input patterns.
Aim 3: We performed high-quality patch-clamp recordings from hippocampal neurons in anaesthetized and awake head-fixed mice. We set up a virtual reality system to study place coding by these neurons.
