Az ELKH Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) Rózsa Balázs vezette csoportja és a BrainVisionCenter Kutatóintézet és Kompetenciaközpont (BVC) kutatói a bázeli Friedrich Miescher Intézettel és a Pázmány Péter Katolikus Egyetemmel szoros együttműködésben dolgozva az idegsejtek plaszticitásának eddig ismeretlen jellemzőit fedezték fel éber állat hippokampuszában. Judák Linda, Chiovini Balázs, Rózsa Balázs és a KOKI 3D funkcionális hálózati és dendritikus képalkotás kutatócsoportjának tagjai az agy hippokampusz elnevezésű területén vizsgálták a hosszú távú memória kódolásában, tárolásában, előhívásában kulcsszerepet játszó éleshullámokat (SPW-Rs). Az eredményeket bemutató tanulmány a rangos Nature Communications folyóiratban jelent meg.
Az éleshullám nyugalmi állapotban és az alvás közbeni lassú hullámok alatt jelenik meg. In vitro kísérletek már bizonyították, hogy az éleshullámhoz kapcsolódó idegsejtcsoportok gátló neuronok dendritjeiben térben és időben klaszterezett aktivitást („hot-spot”) hoznak létre (Chiovini B. és mtsai 2014), de ennek in vivo igazolására mindeddig még nem került sor. A technikai és módszertani nehézségek ellenére a kutatócsoportnak elsőként sikerült in vivo, azaz élő, viselkedő állatban kimutatni az éleshullámokhoz kapcsolódó regeneratív folyamatokat a parvalbumin+ (PV+) gátló interneuronok nyúlványaiban, és egyben egy teljesen új jelintegrációs mechanizmust fedeztek fel.
A kísérlet kivitelezéséhez a kutatók és a mérnökök a gyors 3D-s lézer pásztázó mikroszkópiát a Roska Botond intézete által fejlesztett specifikus vírusjelölésekkel, valamint ipszilaterálisan elhelyezett, krónikus helyi mezőpotenciál (LFP) elvezetéssel kombinálták. Így éber egerek agyában a PV+ interneuronok dendritfája vékony, távoli (disztális) nyúlványainak szegmenseihez is hozzáférést biztosítottak.
A kísérleti elrendezés sematikus rajza: kombinált LFP-felvétel és 3D-s dendritikus mérések akuszto-optikus mikroszkópiával. a panel: Parvalbumin pozitív sejt és dendritrendszerének háromdimenziós rekonstrukciója. A zöld szalagok a gyors 3D szalagszkenneléshez kiválasztott dendritikus szegmenseket mutatják. Bal b panel: Reprezentatív hippokampális és kortikális LFP-jeleket, valamint SPW-R-eseményeket (nyílhegyek) mutatnak, amelyek a hippokampusz stratum pyramidale ipszilaterális területéről voltak elvezetve. A jobb b panel a hippokampális (loc. HC), a referencia (ref.) és a kontralaterális kérgi (cl. ECoG) elektróda helyzetét mutatja.
A kísérleti összeállításnak köszönhetően a vizsgálatok során éber állatokban mutattak ki komplex kalciumion (Ca2+) eseményeket a hippokampusz PV+ neuronjainak különböző szubcelluláris régióiban. A kutatóknak először sikerült elvégezni nemcsak a PV+ idegsejtek aktivitásának, de az aktív sejtek teljes dendritfájának egyidejű mérését is. Az agy folyamatos mozgása ellenére a kutatók egyszerre tudtak mérni a PV+ interneuronok teljes nyúlványrendszerén több mint 1500 mikrométer (µm) hosszúságban, gyors 3D akuszto-optikai képalkotással kombinált gyors mozgási műtermék eliminációval, nagy térfogatban és nagy térbeli felbontással. További fontos eredmény, hogy igazolták az éleshullámhoz kapcsolt, dendritág-specifikus Ca2+ regeneratív akciós potenciálok (Ca2+ spike-ok) létezését. Kimutatták, hogy ezek a PV+ idegsejtekben a sejttesttől távol (nagyjából 150 µm-re), a disztális dendritikus részeken a legkifejezőbbek, tehát a sejttesthez viszonyítottan távolságfüggést mutatnak.
SPW-R és SPW-R duplet alatt mért dendritikus jelösszegződő mechanizmusok feltárása in vivo PV+ interneuronok disztális nyúlványain. a: Reprezentatív nyers és szűrt LFP-görbék, amelyek az SPW-R duplet első és második eseményét mutatják (fekete háromszögek). b-c: Szupralineáris Ca2+ jelösszegződés figyelhető meg a dupletek során. A különböző SPW-R asszociált dendritikus Ca-jelek össze lettek hasonlítva. A szürke görbe mutatja a szimpla SPW-R dSpike-ot, a piros a SPW-R duplet dSpike-ot. A szaggatott vonal mutatja a szimpla jel matematikai összegét. Az eredményből az látszik, hogy a duplet alatt megjelenő jel szignifikánsan nagyobb, mint a szimpla matematikai összege. Ezt a PV+ neuronok nyúlványaiban lévő ‒ ez idáig még in vivo ki nem mutatott ‒ szupralineáris jelösszegződő mechnaizmusokkal magyarázzák a kutatók.
Azt is megfigyelték, hogy a kettős éleshullámok (SPW-Rs duplet) alatt egy eddig ismeretlen idegi integráció zajlik. Az idegsejt nyúlványai egyfajta koincidencia-detektorként működve rendkívül nagy Ca2+-jeleket generálnak a disztális dendritikus szakaszok mentén, de kizárólag csak abban az esetben, ha két éleshullám rövid időn belül (nagyjából 100 ms-on belül) követi egymást. Mivel ez a most felfedezett dendritikus integráció csak akkor jelent meg, amikor két memórianyom, illetve az ezeket reprezentáló neuronális aktivitások kellően közel kerültek egymáshoz, feltételezhető, hogy az asszociatív memória egyik fontos mechanizmusát sikerült feltárni.
Konfokális mikroszkópi kép egy mért PV+ sejtről a hippokampuszban. A nyílhegyek mutatják a példasejt specifikus jelölését.
A tanulmány a Roska Botond, Rózsa Balázs (igazgató) és az Innovációs és Technológiai Minisztérium által 2021-ben alapított, működését idén megkezdő BrainVisionCenter és az ELKH együttműködésének eredményeként született.
A kutatás Rózsa Balázs ERC 682426, VISONby3DSTIM; KFI-2018-00097; VKE-2018-00032; 871277 - AMPLITUDE; 2017-1.2.1-NKP-2017-00002, TKP2021-EGA-42; 712821-NEURAM; VNT 2020-1-0574; 2020-1.1.5-GYORSÍTÓSÁV-2021-00004; GINOP_PLUSZ-2.1.1-21-2022-00143, PM/20453-15/2020; BrainVisionCenter 2020-2.1.1-ED-2021-00190, 2020-2.1.1-ED-2022-00208, valamint Chiovini Balázs Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíj (BO/01014/16/8) támogatásával valósult meg.
Publikáció:
Linda Judák, Balázs Chiovini, …, Botond Roska, Balázs Rózsa (2022). Sharp-wave ripple doublets induce complex dendritic spikes in parvalbumin interneurons in vivo. Nature Communications. Doi: 10.1038/s41467-022-34520-1.