Neuronhálózat és Dendritikus Aktivitás

Az agyi információ kódolás és feldolgozás jobb megértése érdekében, sok idegsejtből történő egyidejű mérésére, ugyanakkor szubcelluláris felbontásra van szükség, melyhez összetett technikát kell alkalmaznunk. Csoportunk fő célja új képalkotó technikák fejlesztése és használata, valamint ennek kombinálása modern szoftver- és hardver technológiákkal, amelyek a fenti küldetést elérhetővé teszik. Új fejlesztéseinkkel lehetővé vált az idegsejtek teljes dendritifájának háromdimenzióban történő nyomonkövetese, vagy akár több száz sejt aktivitásának egyidejű rögzítése az idegrendszer sejthálózataiban (Katona et al. 2011 PNAS, Katona et al. 2012 Nature Methods, Szalay et al. 2016). Ezek az eredmények a jövőben jobb betekintést nyújthatnak az agyi neurális hálózatok működésének megértésében. A laborban több biológiai projekt keretében is folyik a technika használata.

• A memória elemi egységeit és annak működését vizsgáljuk in vitro és in vivo körülmények között. A hippokampális éles hullámoknak és az ahhoz kapcsolt magas frekvenciás ripple oszcillációnak (Sharp Wave ripple: SPW-R) kitüntetett szerepe van a memórianyomok kialakulásában és rögzülésében. Legfőbb kérdésünk, hogy hogyan képes az agy a tanulásból szerzett információt kódolni nyúlvány, sejt és populáció szinten. A kísérletek lebonyolításához nagy precizitású kétfoton mikroszkópiai eljárásokat (képalkotás és fotostimuláció), valamint elektrofiziológiai (egy vagy sokcsatornás) és farmakológiai méréseket végzünk in vitro és in vivo. Technikai felszereltségünkkel lehetőség nyílik a mezőpotenciál elvezetése mellett a nagyszámú neuron populációk (piramissejtek és interneuronok) és azok dendritikus folyamatainak valós idejű szimultán mérésére SPW-R alatt. Eredményeink rávilágítanak az idegsejtek nyúlványszintű jelfeldolgozásának fontosságára hippokampális ritmusok alatt. A fiziológiás mérések validálására és modulálására kétfoton uncaging technikát alkalmazunk, melyekkel nagy precizitással, lokálisan és megismételhetően képesek vagyunk gátló és serkentő neurotranszmittereket felszabadítani saját tervezésű cage molekuláinkról.
• Egy másik projektünk keretében az epilepsziára jellemző interiktális események hátterére szeretnénk rávilágítani. Ezeknek az eseményeknek fontos szerepe lehet a memória és tájékozódási képességek epilepsziával összefüggésbe hozott leromlásával. Az epilepszia krónikus szakaszában, in vivo kísérletekben vizsgáljuk a kérgi sejthálózatok aktivitását az interiktális események alatt sejttípus specifikus két-foton képalkotással valamint mély- és agyfelszíni elektródákkal. Az interiktális események dinamikájának feltárása hozzájárulhat az epilepszia megértéséhez.
• Másik kutatási témánk során agykérgi piramissejt dendritek, és különböző típusú interneuronok aktivációját vizsgáljuk két foton mikroszkóp segítségével in vivo, éber egérben. Az egereknek auditoros és vizuális diszkriminációs tesztet kell végrehajtaniuk, amely során a megerősítő szignálok kérgi reprezentációját, illetve az ide érkező acetilkolinerg és szerotonerg neuromodulátoros bemenetek hatását monitorozzuk. A 3 dimenziós AO képalkotás segítségével olyan ritkásan elhelyezkedő, a kérgi sejteknek mindössze 1%-át kitevő populáció tagjait, mint amilyenek a VIP+ interneuronok, is nagy számban tudtunk egyszerre mérni. Adataink rávilágítanak arra, hogyan befolyásolja a pozitív és negatív megerősítés a lokális neuronhálózatok szenzoros ingerfeldolgozását, és újabb részleteket adnak a kontextuális tanulás hálózatszintű modelljéhez.
• A korábbi elképzelések az elsődleges szenzoros kérgi régiókat szimpla mintázatfelismerő, unimodális kérgi területnek tartották. Viselkedő egereken végzett funkcionális in vivo tanulmányok azonban rámutattak arra, hogy az adott stimulusok által kiváltott válaszok nagy variabilitást mutatnak. Kutatásunk során különböző vizuális ingerek által kiváltott kérgi leképződések tanulás hatására történő változását szeretnénk kvantitatívan vizsgálni. Ezen kívül optikai ingerléssel szeretnénk a tanulás alatti szinaptikus kapcsolatok fejlődését nyomon követni, ezáltal rávilágítva, milyen mechanizmussal keletkeznek a terület kimeneti jelei.
• A kutatási projektjeink egyedi sejtjelölési technikákat kívánnak meg. Az egyes idegsejtek aktivitásának két-foton mikroszkópiával történő monitorozása, valamint a sejtek aktivitásának fénnyel történő befolyásolása genetikailag kódolt eszköztár segítségével történik. Az idegsejtekbe történő leghatékonyabb és legbiztonságosabb génbeviteli eljárás jelenleg adeno asszociált vírusvektorok (AAV) segítségévelérhető el, ezért csoportunk létrehozott egy virális ágensek előállítására specializálódott egységet. A molekuláris biológiai és szövettenyésztő laborból álló egység feladata a többi kutatási csoport ellátása egyedi tervezésű virális vektorokkal, de hosszú távú terveink között szerepel egyedi sejttípusokat célzó humán génterápiás eszközök kifejlesztése is.

Részlet a 2015-ös intézeti ismertetőből.

Pályázat:

• ERC Consolidator Grant (682426, VISIONby3DSTIM)

A csoport angol nyelvű honlapjának elérhetősége: rozsalab.eu

Munkatársak: