Hippokampális hálózati aktivitás-átmenetek in vitro: Hogyan vezet a serkentő és gátlósejtek kölcsönhatása periódikus hálózati aktivitásmintázatok kialakulásához egészséges és epileptikus rendszerben?

súgó

Projekt adatai

azonosító

83251

típus

K

Vezető kutató

Gulyás Attila

magyar cím

Hippokampális hálózati aktivitás-átmenetek in vitro: Hogyan vezet a serkentő és gátlósejtek kölcsönhatása periódikus hálózati aktivitásmintázatok kialakulásához egészséges és epileptikus rendszerben?

Angol cím

Transitions of hippocampal network activity states in vitro: How are periodic network activities generated by the interaction of excitatory and inhibitory neurons in healthy and epileptic conditions?

magyar kulcsszavak

éles-hullám, gamma oszcilláció, epileptikus aktivitás, gátlás, hálózati állapotátmenetek, szinkronizáció

angol kulcsszavak

sharp-wave ripples, gamma oscillation, epileptic activity, inhibition, network state transitions, synchronization

megadott besorolás

Sejtszintű és molekuláris neurobiológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)	90 %
Neurológiai és pszichiátriai betegségek biológiai alapjai (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)	10 %
Ortelius tudományág: Neurobiológia

zsűri

Idegtudományok

Kutatóhely

Agykéreg Kutatócsoport (HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet)

résztvevők

Freund Tamás
Káli Szabolcs
Karlócai Mária Rita
Kohus Zsolt
Schlingloff Dániel
Sós Katalin
Tresóné Takács Virág
Varga Viktor

projekt kezdete

2011-02-01

projekt vége

2015-01-31

aktuális összeg (MFt)

35.090

FTE (kutatóév egyenérték)

13.08

állapot

lezárult projekt

magyar összefoglaló

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára

A hippokampális aktivitást az éber állatban éles hullám (SPW-R) aktivitás és théta-modulált gamma oszcilláció váltakozása jellemzi. A laboratóriumunkban kifejlesztett optimalizált „submerged” szeletkamrában az in vitro CA3 hippokampális hálózat alapműködésként SPW-R aktivitást mutat. A kolinerg tónus növelésével a hálózat átáll gamma oszcilláció generálására. Egy harmadik, patológiás típusú (epileptikus) ismétlődő aktivitásmintázat váltható ki a szeletekben epileptogén farmakológiai kezeléssekkel.
A preparátum különösen alkalmas arra, hogy segítségével tanulmányozzunk az idegsejt-hálózatok dinamikájához kötődő két alapvető problémát: (1) a stabilitást, azaz hogyan vezet a serkentő és gátló neuronok kölcsönhatása fiziológiás, illetve patológiás aktivitási szintek és mintázatok kialakulásához a sejt- és hálózati tulajdonságoktól függően; (2) a kódolást, azaz milyen a sejtaktivitás mintázata és időbeli lefutása különböző típusú szinkron aktivitások esetén.
In vitro kísérletekben kívánjuk vizsgálni különböző hálózati állapotok alatt azonosított idegsejtek szinaptikus bemeneteit és tüzelését, valamint sejtpopulációk aktivitás-mintázatait. A hippokampális hálózati viselkedések és átmenetek modellezése fontos segítséget nyújt a kísérleti adatok értelmezéséhez, a stabilitási és kódolási mechanizmusok azonosításához. Azt reméljük, hogy munkánk eredményeképpen megértjük a funkcionálisan fontos szinkronizált aktivitás (SPW-R és gamma), illetve a patológiásan szinkronizált állapotok (interiktális és iktális epilepsziás epizódok) keletkezése és terminációja közötti különbségeket.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára

A stabilitás és a kódolás két alapvető fogalom annak megértésében, hogyan működik az egészséges agy, és mi romlik el olyan kóros állapotokban, mint például az epilepszia. Pályázatunkban a következő két kérdésre keressük a választ: (1) mi tartja az agy aktivitási szintjét egészséges, a működés szempontjából optimális tartományban? (2) különböző agyi állapotokban hogyan kódolják és dolgozzák fel az információt az idegsejtek? Ezeknek a kérdéseknek a megválaszolásához számos idegsejt aktivitását és kölcsönhatását kell egy időben elvezetni, miközben az agy meghatározott állapotokban marad. Ilyen összetett kísérleteket jelenleg élő állatban nem lehet elvégezni. Ezért kifejlesztettünk egy olyan agyszelet-preparátumot, amely az élő állatok agyának különböző viselkedések alatt megfigyelhető aktivitás-mintázatait képes mutatni. A különböző aktivitási szintekkel és mintázatokkal jellemezhető állapotok között farmakológiai eszközökkel tudunk átmeneteket kiváltani. Másfajta kezeléssekkel pedig az epilepsziás állapothoz hasonló aktivitás hozható létre.
Preparátumunk és idegsejt-hálózati modellek segítségével tanulmányozni fogjuk a serkentő és gátló folyamatok egyensúlyát mesterségesen létrehozott (egészséges és kóros) agyi állapotokban, hogy megértsük, hogyan történik az agyi aktivitás szabályozása egészséges állapotokban, illetve miért nem működik ez a szabályozás kóros állapotokban.

A kutatás alapkérdése:

Pályázatunk alapgondolata, hogy amennyiben sikerül megmérni azonosított neuronok és/vagy nagy idegsejt-populációk aktivitását a hippokampális hálózat eltérő aktivitási szintekkel és mintázatokkal jellemezhető különböző állapotaiban, akkor megválaszolhatjuk a következő kérdéseket: (1) hogyan összegzik bemeneteiket a piramissejtek és a különböző típusú gátlósejtek eltérő hálózati aktivitások alatt? (2) hogyan szabályozza a gátlás a serkentést változó időbeli mintázatú aktivitás esetén? (3) milyen az aktivitás finomszerkezete és korrelációs struktúrája azonosított sejtcsoportokban a különböző egészséges és kóros (epilepsziás) állapotokban?
Mivel a vizsgált (egészséges és kóros) hippokampális állapotokat az aktivitási szint és a szinkronitás periodikus növekedése és csökkenése jellemzi (amely szabályos a gamma oszcilláció, de szabálytalan a SPW-R és az epileptikus epizódok esetében), a mintázatokban felépülési és lecsengési fázisokat különböztethetünk meg. Minden állapot esetében feltehetünk tehát két alapvető kérdést: (1) mi indítja el a szinkronizált eseményeket, és, ami még fontosabb, (2) mi állítja le a szinkronizálódó eseményeket? Azáltal, hogy megvizsgáljuk hogyan épül fel az aktivitás különböző állapotok alatt megérthetjük miért hatékony a szabályozás az egészséges és a hippokampusz működéséhez szükséges SPW-R állapotok esetében és mi működik rosszul a patológiás szinkronitást mutató epileptikus események szabályozásában.

A kutatás jelentősége:

Központi kérdéseink, hogy hogyan épül fel a szinkron hálózati aktivitás és hogyan szabályozzák ezt a gátló interneuronok, alapvető jelentőségűek az epilepsziás aktivitás keletkezésének megértése szempontjából. A fiziológiás körülmények között megfigyelhető éles hullámok sok szempontból hasonlítanak a patológiás interiktális tüskékhez, és nehéz pontosan meghatározni, mi különbözteti meg őket egymástól. A hippokampális szelet-preparátumban néhány óra elteltével a gamma oszcillációt fokozatosan epileptiform aktivitás váltja fel. Ha sikerül megértenünk, hogyan indulnak el és mitől állnak le a szinkron események éles hullámok és gamma oszcillációk esetében, esetleg találhatunk módszereket arra is, hogyan akadályozhatjuk meg olyan patológiás kisülések keletkezését, amelyek nem állnak le időben. Azáltal, hogy megvizsgáljuk a neurotranszmitter receptorok számos különböző altípusát specifikusan kifejező gátlósejtek szerepét, potenciális támadáspontokat azonosíthatunk olyan gyógyszerek számára, amelyek képesek lehetnek a kóros hálózati aktivitás szabályozására anélkül, hogy beleavatkoznának a normális és lényeges hálózati folyamatokba.

angol összefoglaló

Professional Summary

Hippocampal activity in the awake animal is characterized by the behavior-dependent alternation of sharp wave – ripple (SPW-R) activity and theta-modulated gamma oscillations. In an optimized submerged chamber developed in our laboratory SPW-R generation is an intrinsic property of the in vitro hippocampal CA3 network, and by increasing the cholinergic tone, the network can be switched into gamma oscillation mode. A third, pathological type of periodic synchrony, epileptic activity, can be evoked in the same slices with epileptogenic agents.
This preparation is ideal to study two of the basic problems of neuronal networks: Stability: how does the interaction of excitatory and inhibitory neurons result in normal or pathological levels and patterns of activity depending on cellular and network properties?; and Coding: what is the pattern and sequence of cell activation during different types of synchrony?
Synaptic inputs and spike patterns of identified cells, and activity patterns of large populations will be measured in vitro in the various network states. Modeling hippocampal network transitions will help us interpret our findings and pinpoint mechanisms of Stability and Coding. We hope to understand the differences in the initiation and termination of functionally important periodic synchronies (SPW-R and gamma) and of pathologically synchronous states (interictal and ictal epileptic episodes).

Lay Summary

Stability and coding are two of the most important keywords in understanding how the healthy brain works and what goes wrong in pathological conditions such as epilepsy. The two questions we ask are: 1) how is the activity of the brain kept in the healthy and functional range?, 2) how do neurons code and process information during different brain states? Answering these question requires parallel recording of activity from many neurons while controlling the activity of the brain. Such complex experiments, at the moment, cannot be done in the intact brain. We developed a brain slice preparation that reproduces the basic activity patterns observed in living animals during different phases of their behavior. The transition between activity states characterized by different levels and patterns of neuronal activity can be elicited with drugs. It is also possible to evoke pathological activity resembling epilepsy in these slices using different treatments.
Using this preparation and neuronal network models we plan to study the balance of excitatory and inhibitory processes during artificially evoked brain states (healthy and pathological), in order to understand how brain cells process information, how network activity is controlled during healthy states and why control is lost during pathological conditions.

Hypothesis and questions

Our driving idea is that by measuring the activity of identified neurons and/or large populations of neurons during different hippocampal states showing characteristic activity levels and patterns, the following questions can be answered: 1) how do pyramidal cells and distinct types of inhibitory neurons integrate their inputs during different activity states? 2) how is excitation controlled by inhibition when the temporal pattern of activity changes? and 3) What is the fine structure and correlation among the activity of cells within an identified population during different healthy and pathological (epileptic) states?
Furthermore, since hippocampal states (healthy and pathological) are characterized by periodic increases in network activity and synchrony (regular in the case of gamma, irregular for SPW-Rs and epileptic episodes), these transient patterns are characterized by build-up and decay phases. For all states two basic questions can be asked: 1) what starts a synchronous event, and more importantly 2) what stops a synchronous event? Studying how activity in the excitatory and inhibitory neurons build up during the different states we might understand the difference between the effective control of activity increase during the healthy, and apparently essential, SPW-R and gamma activity and the pathologically synchronous, uncontrolled, epileptic events.

Significance

Our central questions, how network activity builds up and how it is controlled by inhibitory neurons, are extremely relevant for understanding how epilepsy is generated. Physiologically occurring sharp-wave ripples are akin to pathologic epileptic (interictal) bursts and it is really difficult to define what distinguishes them. In a slice preparation gamma oscillations evolve into epileptic bursts after several hours. If we understand how discharges are initiated and terminated in the healthy brain during SPW-Rs and gamma cycles we may find a tool to block the generation of pathologic discharges that are not terminated on time. By studying the participation of inhibitory neurons, which are known to express several different subtypes of transmitter receptor, we might identify new points of attack for future drugs that will enable us to control pathologic network activity without disrupting normal and essential processes.

Zárójelentés

kutatási eredmények (magyarul)

Munkánk során in vitro rendszerben vizsgáltuk, hogy a különböző hippokampális idegsejtek kölcsönhatásából hogyan alakulnak ki egészséges és patológiás aktivitásmintázatok. Idegsejt hálózat modellezés segített bennünket a mechanizmusok megértésében és konklúziók megerősítésében. Leírtuk számos CA3 sejttípus aktivitásmintázatát és a rájuk érkező serkentő és gátló szinaptikus bemenetek sajátosságait éles hullám (SWR) aktivitás alatt. Leírtuk a SWR iniciáció, a ripple oszcilláció generálás és a termináció mechanizmusait, valamint a SWRek és az epileptikus interiktális események közötti különbségeket. A parvalbumin tartalmú kosársejtek, illetve működésük kudarca fontos mind a SWRek mind az epileptikus események kialakulásában. Számos CA1 és CA3 sejttípus kapcsolatrendszerét is kvantitatívan vizsgáltuk. Több kézirat most készül: 1) leírtuk és neuronhálózati modellekkel alátámasztottuk, hogy az idegsejtek serkenthetőségének, valamint a serkentő és gátló jelátvitel erősségének modulációjával a hippokampális hálózat aktivitása SWRek, gamma oszcilláció és epileptikus aktivitás között kapcsolható. 2) egy modell hálózat viselkedése sokkal robosztusabb, ha tanulás során kialakult szinaptikus súlyokat és nem véletlen szinaptikus súlyokat használ. 3) Leírtuk, hogy a periszomatikus gátlást adó 3 gátlósejt populáció szinaptikus átvitelének időbeli tulajdonságai eltérőek.

kutatási eredmények (angolul)

We explored how the interaction of different hippocampal cell types generates healthy and pathological network activities in vitro. We used neuronal network models to understand generation mechanisms and support our findings. We published how different CA3 cell types fire during in vitro sharp-waves (SPW) and what is their excitatory and inhibitory synaptic input. We described the in vitro mechanisms of SPW initiation and ripple generation and the differences between SPWs and epileptic interictal events. Parvalbumin-basket cells or the failure of their inhibitory action proved to be crucial both in SPW and in epileptic event generation. We also described quantitatively the synaptic connectivity of important CA1 and CA3 area cell types. Additional papers in preparation 1) describe and support with a neuronal network model that the modulation of neuronal excitability and synaptic transmission shifts the dynamics of hippocampus among gamma activity, SPWs and epileptic events. 2) Show that the behavior of a model network using synaptic weights resulting from a learning mechanism are more robust than of a network with random weights. 3) We describe that the temporal properties of the transmission among different perisomatic basket cells and their target neurons are characteristically different.

a zárójelentés teljes szövege

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=83251

döntés eredménye

igen

Közleményjegyzék

Schlingloff, D., Káli, S., Freund, T.F., Hájos, N., Gulyás, A.I.: Mechanisms of sharp wave initiation and ripple generation, J.Neurosci 34(34): 11385–11398, 2014

Karlocai MR, Kohus Z, Kali S, Ulbert I, Szabo G, Mate Z, Freund TF, Gulyas AI: Physiological sharp wave-ripples and interictal events in vitro: what's the difference?, BRAIN 137: (2 (Feb)) 463-485, 2014

Gulyás, A.I. and Freund , T.F.: Generation of physiological and pathological high frequency oscillations: the role of perisomatic inhibition in sharp-wave ripple and interictal spike generation, Current Opinion in Neurobiology 31:26–32, 2014

Hajos N, Karlocai MR, Nemeth B, Ulbert I, Monyer H, Szabo G, Erdelyi F, Freund TF, Gulyas AI: Input-Output Features of Anatomically Identified CA3 Neurons during Hippocampal Sharp Wave/Ripple Oscillation In Vitro., J NEUROSCI 33: (28) 11677-11691, 2013

Friedrich, P., Vella M., Gulyás A.I., Freund T.F, Káli S: A Flexible, Interactive Software Tool for Fitting the Parameters of Neuronal Models, Frontiers in Neuroinformatics 8: Article 63:1-19, 2014

Takacs VT, Szonyi A, Freund TF, Nyiri G, Gulyas AI: Quantitative ultrastructural analysis of basket and axo-axonic cell terminals in the mouse hippocampus., BRAIN STRUCT FUNC : , 2014

Takacs V, Klausberger T, Somogyi P, Freund TF, Gulyas AI: Extrinsic and local glutamatergic inputs of the rat hippocampal CA1 area differentially innervate pyramidal cells and interneurons, HIPPOCAMPUS 22: (6) 1379-1391, 2012

Chiovini B., Turi G.F., Katona G., Kaszás A., Pálfi D., Maák P., Szalay G., Forián Szabó M., Szabó G., Szadai Z., Káli S., Rózsa B.: Dendritic spikes induce ripples in parvalbumin interneurons during hippocampal sharp waves, Neuron 82:908-24, 2014

Kohus Z, Hájos N, Freund TF, Ulbert I, Gulyás AI: Analysis of sharp-wave ripple generation using global and local drug application and current-source density analysis in hippocampal slices, FENS Forum, 2012, Barcelona, 2012

Norbert Hájos, Mária R. Karlócai, Beáta Németh, István Ulbert, Hannah Monyer, Gábor Szabó, Ferenc Erdélyi, Tamás F. Freund and Attila I. Gulyás: Input-output features of anatomically-identified CA3 neurons during hippocampal sharp wave/ripple oscillation in vitro, Journal of Neuroscience (accepted with revisions), 2013

Schlingloff D, Káli S, Kohus Z, Hájos N, Freund T F, Gulyás A I: Anatomy of sharp-wave ripples: pyramidal cells are responsible for initiation and PV interneurons for ripple generation and termination, Janelia Conference: Neuron Types in the Hippocampal Formation: Structure, Activity, and Molecular Genetics, 2012

Kohus Z, Karlócai MR, Schlingloff D, Freund TF, Gulyás AI: Frequency and firing pattern dependent short-term plasticity of IPSCs on CA3 pyramidal cells mediated by perisomatic targeting interneurons, MITT 2013, 2013

Szabolcs Káli, Eszter Vértes, Dávid G Nagy, Tamás F Freund, Attila I Gulyás: Mechanisms of sharp wave-ripple generation and autonomous replay in a hippocampal network model., BMC Neuroscience 14 (Suppl 1):O13, 2013

Péter Friedrich, Attila I Gulyás, Tamás F Freund, Szabolcs Káli: A flexible software tool for fitting the parameters of neuronal models., BMC Neuroscience, 14 (Suppl 1):P202, 2013

Karlocai MR, Kohus Z, Kali S, Ulbert I, Szabo G, Mate Z, Freund TF, Gulyas AI: Physiological sharp wave-ripples and interictal events in vitro: what's the difference?, BRAIN : , 2014

Takacs VT, Szonyi A, Freund TF, Nyiri G, Gulyas AI: Quantitative ultrastructural analysis of basket and axo-axonic cell terminals in the mouse hippocampus., BRAIN STRUCT FUNC : , 2014

Hajos N, Karlocai MR, Nemeth B, Ulbert I, Monyer H, Szabo G, Erdelyi F, Freund TF, Gulyas AI: Input-Output Features of Anatomically Identified CA3 Neurons during Hippocampal Sharp Wave/Ripple Oscillation In Vitro., J NEUROSCI 33: (28) 11677-11691, 2013

Káli S, Gulyás A: The invisible dendrite: On the use of morphological constraints in the interpretation of intracellular and field potential recordings, IBRO-MITT, 2012

Karlócai R M, Szabó G G, Németh B, Freund T F, Gulyás A I, Hájos N: Excitatory synaptic input controls the spiking activity of neurons during sharp wave-ripple oscillations in the CA3 region of hippocampal slices, 3rd European Synapse Meeting, Balatonfüred, 2011

Karlócai R M, Szabó G G, Németh B, Freund T F, Gulyás A I, Hájos N: Excitatory synaptic input controls the spiking activity of neurons during sharp wave-ripple oscillations in the CA3 region of hippocampal slices, Sinapsa Neuroscience Conference, Ljubljana, 2011

S Káli and R Zemankovics: The effect of dendritic voltage-gated conductances on the neuronal impedance: a quantitative mode, Journal of Computational Neuroscience, 2011

M R Karlócai T F Freund A I Gulyás: Sharp wave ripples and epileptiform events in vitro: What’s the difference?, IBRO-MITT Szeged, 2012

Kohus Z, Hájos N, Freund TF, Gulyás AI: Isolation of active and passive currents contributing to sharp-wave ripple generation in the hippocampus in vitro using current-source density analysis and local drug app, IBRO-MITT Szeged, 2012

Projekt eseményei

2014-03-06 15:44:47

Résztvevők változása

2012-03-13 09:09:07

Résztvevők változása