A nucleus caudatus és a hátsó thalamus funkcionális együttműködése a vizuális információfeldolgozás folyamatában PhD értekezés tézisei Dr. Rokszin Alice Szegedi Tudományegyetem, Általános Orvostudományi Kar Élettani Intézet Szeged 2011
2 Bevezetés A látórendszer vizsgálata az idegtudomány történetének kezdete óta a tudományos érdeklődés középpontjában áll. A központi idegrendszer ezen része talán a legjobban feltérképezett, ennek ellenére működésében még mindig sok az ismeretlen tényező. A központi idegrendszer kérgi és kéreg alatti képletek/területek együttműködő hálózatából épül fel. A lineáris irányú információtovábbítás széles körben elfogadott elmélet az idegélettanban. Ugyanakkor az utóbbi években egyre több bizonyíték került napvilágra, mely azt a hipotézist támasztja alá, hogy a központi idegrendszer finoman hangolt hurokpályák hálózata. Egyre több tény erősíti azt is, hogy a motoros információ mellett a vizuális információ továbbítása is ilyen információ-feldolgozó körökben zajlik; ezeken belül az információfeldolgozás folyamatos visszajelzéseken alapuló kétirányú kapcsolatokat feltételez, ellentétben a klasszikus egyirányú információátvitelt feltételező elmélettel. A klasszikus megközelítés szerint a vizuális információ a geniculo-striatalis pályán haladva, a retinából kiindulva, a hierarchikusan egymás felé rendezett agyi területeken át, az elsődleges látómezőben, más néven az area striataban végződik. A pálya kulcsfontosságú átkapcsoló állomása a corpus geniculatum laterale (CGL). A vizuális információ különböző elemei szeparált, párhuzamos idegpályákon
3 szállítódnak. A pálya elsősorban az elsődleges, elemi vizuális információk (fény-, szín-, orientációérzékelés) feldolgozásáért felelős. Az extrageniculo-extrastriatalis pálya hasonlóan fontos része a látórendszernek, amely a colliculus superiorból (CS) kiinduló tektális idegrostok által közvetített információ feldolgozásáért felelős. A pályát felépítő kérgi és kéreg alatti területek vizuális tulajdonságainak, ezen belül is a felépítő idegsejtek térbeli és időbeli válaszkészségének jellemzése számtalan tanulmány alapját képezte az elmúlt évtizedekben. Bebizonyosodott, hogy a pályát alkotó különböző elemek fiziológiai tulajdonságai hasonlóak, ugyanakkor ezen sajátosságok átfogó, összehasonlító elemzése mindezidáig még nem történt meg, továbbá a struktúrák közötti funkcionális kapcsolat igazolása is hiányzik. A látótérben bekövetkező mozgás érzékelése az egyik legfontosabb a látórendszer feladatai közül. Az, hogy hol és hogyan történik ezen információ feldolgozása a központi idegrendszeren belül, régóta az idegkutatás középpontjában áll. A legutóbbi fiziológiai és morfológiai eredmények az extrageniculo-extrastriatalis rendszer szerepét támasztják alá ebben a folyamatban.
4 Célkitűzések A felszálló tektofugális rendszeren belül működő kéreg alatti hurokpályát alkotó képletek térbeli és időbeli vizuális tulajdonságainak átfogó, részletes összehasonlítása. A felszálló tektofugális rendszer két eleme (a nucleus caudatus NC és hátsó thalamus nucleus suprageniculatusa Sg) közötti kooperáció vizsgálata: o keresztkorrelációs vizsgálattal, o látencia analízissel. A fent említett struktúrák közötti kapcsolat jellemzése: o szinkronizáció és időbeli kapcsolás a struktúrák között, o a vizuális ingerlés hatása a NC és Sg szinkronizált aktivitására.
5 Anyag és módszerek Kísérleteinket altatott, immobilizált, mesterségesen lélegeztetett házi macskákon végeztük. Extracelluláris egysejt-regisztrálást hajtottunk végre a CS-ban (Horsley Clarke-koordináták: anterior 1 4, laterális 2 6, mélység 11 15), a NC-ban (Horsley Clarke-koordináták: anterior 12 16, laterális 4 6,5, mélység 12 19) és a Sg-ban (Horsley Clarke-koordináták: anterior 4,5 6,5, laterális 4 6,5, mélység 16 18) volfrám mikroelektróda segítségével. A CS, a Sg és a NC térbeli és időbeli vizuális tulajdonságainak vizsgálata során ingerként fényességében szinuszoidálisan modulált, mozgó rácsmintát alkalmaztunk. A rácsmintát nyolc különböző irányban (0 315 -ig, 45 -os lépésekben) mozgattuk a neuron számára optimális irány felderítése érdekében. A következőkben az optimális irányban mozgattuk a rácsmintát a neuron térbeli és időbeli válaszkarakterisztikájának a jellemzésére. Az alkalmazott térbeli frekvenciák 0,025 0,95 ciklus/fok, az időbeli frekvenciák pedig 0,07 41,08 ciklus/s tartományban álltak rendelkezésünkre. A NC és a Sg közötti kooperáció vizsgálata során három 1500 ms hosszú fázisból (sötét képernyő, random álló és mozgó pontmintázat) felépülő ingert alkalmaztunk. Az idegsejtek vizuális receptív mezejének
6 méretét pupillalámpa segítségével, szubjektív becsléssel határoztuk meg. Eredményeinket peristimulus-idő hisztogram (PSTH) formájában regisztráltuk és tároltuk a későbbi statisztikai feldolgozás céljából. Egy adott idegsejtet akkor tekintettük vizuálisan aktívnak, ha az alapaktivitás (nyugalomban mérhető) és a vizuális inger alatti (stimulált) aktivitás között Mann Whitney U próbával szignifikáns különbség volt kimutatható. A felszálló tektofugális rendszeren belül a különböző elemek vizuális térbeli és időbeli válaszkarakterisztikájának összehasonlító statisztikai elemzését varianciaanalízissel (ANOVA), majd Tukey post hoc analízissel végeztük el. A Sg és a NC közötti együttműködést keresztkorrelációs vizsgálattal és látenciaanalízissel végeztük. A keresztkorreláció során egy adott idegsejtpár egyik tagjának a tüzelési mintázatának időbeli kapcsoltságát vizsgáltuk a másik idegsejt tüzeléséhez viszonyítva. Statisztikai elemzés céljából kétkorrekciós, ismételt mintavételi (resampling) módszert alkalmaztunk: a shuffle és a jitter korrekciót. Emellett a laboratóriumunkban kifejlesztett kettős csúszóablak technikával meghatároztuk a neuronok vizuális ingerre adott válaszlátenciáját. Meghatároztuk az adott struktúrára jellemző átlagos válaszlátenciát. Majd
7 az egy-egy idegsejtpárt alkotó neuronok látenciáinak hosszát hasonlítottuk össze statisztikai módszerekkel. Kísérleteink végén paraformaldehiddel perfundáltuk a túlaltatott állatokat, majd az agyukból készített metszeteket megfestettük neutrálvörössel, ezzel igazolva a kísérletek alatti megfelelő elektródalokalizációt.
8 Eredmények A térbeli és időbeli vizuális tulajdonságok összehasonlító vizsgálata a felszálló tektofugális rendszerben Az idegsejtek átlagos optimális térbeli frekvenciája a CS felső (CSf) rétegeiben szignifikánsan nagyobbnak bizonyult, mint a többi vizsgált struktúrában: CS középső (CSk) rétegeiben (p<0,001), a Sg-ban (p<0,001) és a NCban (p<0,001). Hasonló eredményt kaptunk a sávszűrő (bandpass) tulajdonságú neuronok átlagos térbeli frekvenciasávszélesség meghatározása során: a CSf rétegekben kapott érték szignifikánsan különbözött a CSk (p=0,004), a Sg (p<0,001) és a NC (p=0,006) értékeitől. Az átlagos optimális időbeli frekvencia is szignifikánsan alacsonyabbnak bizonyult CSf rétegekben, mint a CSk rétegekben (p=0,023), a Sg-ban (p=0,012) és a NC-ban (p=0,038). Az előzőektől kissé eltérő eredményt kaptunk a sávszűrő karakterisztikájú idegsejtek átlagos időbeli frekvencia-sávszélességének a vizsgálatakor: a CSf és a CSk rétegekben mért értékek nem különböztek egymástól szignifikánsan, viszont szignifikánsan különböztek a Sg (p<0,001 mind a CSf, mind a CSk esetében), valamint a NC (p=0,023 a CSf és p=0,03 a CSk esetében) neuronjainak átlagos időbeli frekvenciasávszélességétől.
9 Keresztkorrelációs vizsgálat a nucleus caudatus és a nucleus suprageniculatus között Összességében 138 vizuálisan aktív idegsejtet regisztráltunk stabil alapaktivitással a nucleus suprageniculatusban és 142-t a nucleus caudatusban. Ebből a neuronkészletből 283 szimultán felvett Sg-NC idegsejtpárt tudtunk alkotni. Korreláció spontán aktivitás alatt A vizuális ingerlés nélküli időszak alatt regisztráltuk az idegsejtek spontán aktivitását. Az analízis során azt találtuk, hogy a párok 9,1%-a (26 pár) mutatott szignifikánsan korreláló alapaktivitást. Az információáramlás irányát nem tudtuk egyértelműen megállapítani: az esetek 50%-ában az információ a Sgból az NC felé, 42,3%-ban NC-ból a Sg felé irányult, emellett az esetek 7,7%-ban a struktúrák szimultán aktivációját találtuk. Korreláció a random álló pontmintázat inger alatt A regisztrált és vizsgált idegsejtpárok 6,7%-a (29 pár) mutatott szignifikáns korrelációt random módon elrendezett, álló pontmintázat inger alatt. Hasonlóan az előző kondícióhoz, ez esetben sem tudtuk az információtovábbítás irányát egyértelműen
10 meghatározni: 42,1%-ban a Sg, 36,9%-ban a CN az információt küldő struktúra; 21,1%-ban egyidejű aktiváció detektálható. Korreláció a random módon mozgó pontmintázat inger alatt Vizsgáltuk a két képlet közötti együttműködést mozgó vizuális ingerlés alatt is. Eredményeink azt mutatták, hogy a párok 7,42% -a (21 pár) mutat szignifikáns korreláló aktivitást ezen típusú inger hatására. Az előzőekkel teljesen megegyezően az információáramlás iránya itt sem egyértelmű: 47,6%-ban a Sg-ból a NC-ba, 38,1%-ban a NC-ból a Sg-ba; 14,3%-ban egyidejű aktiválódást találtunk. Kiemelendő, hogy mindazok a párok, amelyek szinkronizált aktivitást mutattak vizuális ingerlés alatt, különböztek azoktól, amelyek a spontán aktivitásukban mutattak szinkronizált együttműködést. Vizuális ingerlésre adott válaszok látenciaanalízise A keresztkorreláció vizsgálata mellett megvizsgáltuk az idegsejtek vizuális ingerre adott válaszának látenciáját álló és mozgó ingerlés alatt is. Egyik esetben sem találtunk szignifikáns különbséget a két struktúrában mérhető látenciák között. Mikor az egyidejűleg regisztrált idegsejtpárok közötti látenciakülönbséget
11 vizsgáltuk, a keresztkorrelációhoz hasonlóan azt találtuk, hogy az esetek kicsit kevesebb, mint felében a Sg-ban, míg az esetek másik részében a NC-ban rövidebb a vizuális ingerre adott válasz látenciája. A párok körülbelül 5%-ánál nem volt különbség a látenciák között.
12 Megbeszélés A felszálló tektofugális rendszer neuronjainak térbeli és időbeli vizuális tulajdonságai Eredményeink azt bizonyítják, hogy a felszálló tektofugális rendszer kéreg alatti struktúrái (CS, Sg, NC) alacsony térbeli és magas időbeli frekvenciákra mutatnak optimális válaszkészséget, szűk térbeli és időbeli hangolással. A részletes statisztikai elemzés azt igazolta, hogy az optimális inger tekintetében a CS felső rétegeiben elhelyezkedő idegsejtek jelentősen eltérő karakterisztikájú térbeli és időbeli vizuális tulajdonságokkal rendelkeznek a CS középső rétegeiben, a Sg-ban, illetve a NC-ban található neuronokkal szemben. Míg az előbbiek az utóbbiaktól eltérően a magasabb térbeli és az alacsonyabb időbeli frekvenciákat preferálták szélesebb időbeli hangolással, addig az utóbbiak konzekvensen egymáshoz nagyon hasonló időbeli és térbeli vizuális tulajdonságokat mutattak. Az igazolt térbeli és időbeli válaszkarakterisztikák erősítik azt a hipotézist, miszerint a felszálló tektofugális rendszer elemei fontos szerepet játszanak a vizuomotoros koordinációban, és a vizuális környezetben bekövetkező változások érzékelésére szolgálhatnak az élőlény saját mozgása során.
13 Idegsejthálózatok és funkcionális együttműködés a felszálló tektofugális rendszerben A hasonló időbeli és térbeli vizuális válaszkarakterisztikák, illetve egyéb morfológiai és élettani tanulmányok eredményei a hátsó thalamus Sg és a basalis ganglionok bemeneti struktúrája, a NC között szoros kapcsolat meglétét feltételezik. Ezen struktúrák közötti, a vizuális információfeldolgozás közbeni valódi funkcionális kapcsolat meglétét bizonyítandó, az időbeli kapcsolatot vizsgáltuk az egyidejűleg regisztrált idegsejtpárok tüzelési mintázatának keresztkorrelációs analízisével. Ennek eredményeképp funkcionális együttműködést mutattunk ki a Sg és a NC között, továbbá időbeli kapcsoltság volt regisztrálható a struktúrák kimeneti jelei között. Egyik használt módszerrel sem tudtuk egyértelműen meghatározni, hogy a Sg vagy a NC-e a korábbi állomás az információfeldolgozás során. Ezért is feltételezzük, hogy kétirányú (bidirekcionális) információátvitel valószínűsíthető a struktúrák között. A kapcsoltság időbeli viszonyaiból arra következtetünk, hogy egy-két szinapszisos közvetlen kapcsolat vagy közös bemenet feltételezhető ezek hátterében. Ezenkívül érdekes és fontos megállapítás, hogy a vizuális ingerlés szinkronizálhatja, illetve más neuronpárok esetében deszinkronizálhatja a Sg és a NC aktivitását.
14 Köszönetnyilvánítás Megkülönböztetett köszönettel tartozom Prof. Dr. Benedek György tanszékvezető egyetemi tanárnak és Dr. Nagy Attila egyetemi adjunktusnak, akik témavezetőimként tevékenykedtek az elmúlt években és segítették szakmai fejlődésemet. Köszönetemet szeretném kifejezni Prof. Dr. Jancsó Gábornak, az Elméleti Orvostudományok Doktori Iskola vezetőjének, amiért lehetővé tette számomra, hogy részt vegyek az Idegtudomány PhD-programban. Hálás köszönettel tartozom kollégáimnak, Dr. Paróczy Zsuzsannának, Dr. Berényi Antalnak, Dr. Márkus Zitának, Dr. Farkas Ágnesnek, Dr. Braunitzer Gábornak, Gombkötő Péternek, Nagypál Tamásnak, Utassy Györgyinek, Nagy Anettnek és Dr. Eördegh Gabriellának a sokszor éjszakába nyúló kísérletek során nyújtott szakmai segítségükért és barátságukért. Tisztelettel köszönöm továbbá Dósai Gabriellának és Liszli Péternek a munkám során nyújtott technikai segítségüket, valamint az Élettani Intézetben dolgozó minden munkatársamnak a szakmai és emberi támogatást. Hálás köszönettel tartozom továbbá szüleimnek, testvéremnek, hozzátartozóimnak és barátaimnak a szeretetükért és a biztos, támogató háttér megteremtéséért.
15 A tézis alapjául szolgáló közlemények jegyzéke I. Spatio-temporal visual properties in the ascending tectofugal system. Rokszin A, Márkus Z, Braunitzer G, Berényi A, Wypych M, Waleszczyk WJ, Benedek G, Nagy A Central European Journal of Biology, 5: 21 30. (2010) IF: 0.685 II. Visual pathways serving motion detection in the mammalian brain. Rokszin A, Márkus Z, Braunitzer G, Berényi A, Benedek G, Nagy A. Sensors 10: 3218 3242. (2010) IF: 1.771 III. Visual stimulation synchronizes or desynchronizes the activity of neuron pairs between the caudate nucleus and the posterior thalamus. Rokszin A, Gombkötő P, Berényi A, Márkus Z, Braunitzer G, Benedek G, Nagy A Brain research DOI: IF: 2.623
16 Egyéb közlemények jegyzéke I. Parallel development of contour integration and visual contrast sensitivity at low spatial frequencies. Benedek K, Janáky M, Braunitzer G, Rokszin A, Kéri S, Benedek G Neuroscience Letters 472: 175 8. (2010) IF: 2.055 II. Is the development of visual contrast sensitivity impaired in children with migraine? An exploratory study. Braunitzer G, Rokszin A, Kóbor J, Benedek G Cephalalgia. 30: 991 5. (2010) IF: 4.265 III. Neuronal code of spatial visual information in the caudate nucleus. Gombkötő P, Rokszin A, Berényi A, Braunitzer G, Utassy G, Benedek G, Nagy A Neuroscience. 182:225 31. (2011) IF: 3.215
17 IV. Development of visual contour integration in children with migraine without aura. Braunitzer G, Rokszin A, Kóbor J, Nagy A, Sztriha L, Benedek G. Cephalalgia. 31:1048 56. (2011) IF: 4.265 A tézis alapjául szolgáló közlemények kumulatív impakt faktora (ISI 2010): 5.079 Az összes közlemény kumulatív impakt faktora (ISI 2010): 18.878