Cortex-M 계열 프로세서를 이용한 제어 및 통신 교육용 보드의 개발

김재일 한국산업기술대학교 산업기술·경영대학원 2013 국내석사

Abstract A Development of the Control and Communication Boards using the Cortex-M Processors by Kim, Jea Il Advisor : Prof. Cha, Dong-Hyuk, Ph.D. Department of Mechatronics Engineering Graduate School of industrial Technology & Management Korea Polytechnic University A series of the control and communication boards using the 32bit ARM Cortex-M processors and their software have been developed in this paper. The control and communication boards are using various chip vendor's Cortex-M microcontrollers. To comparison of each chip vendor's product, each microcontrollers has similar performance and size. The software for the boards are developed using each chip vendor's library, which can provide quicker and easier access. Since the developed software comply with CMSIS(Cortex Microcontroller Software Interface Standard), they have very similar structure even though the processors of the boards differs. The Software for USB and Ethernet communication are implemented with the Keil and Lwip middleware library. Using the middleware library the user can easily develop a new program even when the microcontroller is changed to another chip vendor's product. A series of comparison and analysis study to the each chip vendor's library which performs the same function has been also performed. The study can help for the users to access to the various systems easily even in the case that other chip vendor's microcontroller are used. For the purpose of education or training, the circuit diagram of the developed boards and the source programs are fully described in detail. The developed boards and software would be very helpful to develop various systems using the 32bit ARM Cortex-M processors.

Functional development of synapse and neuronal circuit in cerebral cortex

이승현 서울대학교 대학원 2019 국내박사

The brain is the most complex organ with about 100 billion nerve cells. The "Cerebral cortex" is the largest suborgan in the brain and is structurally segmented. In addition, the cerebral cortex performs various functions such as sensation, movement, judgment, memory, information processing, and language through the compartmentalized area. For example, V1, the primary sensory cortex, processes and transmits visual information to the other cortex, while the sensory association cortex collects information from the sensory cortex and processes the intermediate information. Thus, the association cortex is related to perception-based judgment functions. What we can see while simultaneously listening and exercising is that the cerebral cortex can perform various functions at the same time. For so called ‘multi-tasking’, the cerebral cortex is developed in such a way that each cortical region forms optimized neural circuits for their specialized function. Dysfunction of the neurons and synapses or neural circuits that composed the cerebral cortex, can causes various and complicated brain diseases. For example, bipolar disorder, schizophrenia, and autism are known to be caused by dysfunction of the cerebral cortex Understanding the function and development of normal cerebral cortical neurons and neural circuits will not only broaden our understanding of the brain, but will also contribute to the effective treatment of various neuropsychiatric disorders in the future. Despite the involvement of the cerebral cortex in the regulation of various functions, the basic structure of the neuronal circuits in the cortical areas is substantially the same. The functional diversity of the cerebral cortex has been understood to be due to the diversity of neuronal circuitry coming from the outside, and it is presumed that they are optimized for the function of each region, but it is not well known whether different cerebral cortex have the same developmental mechanism. The primary sensory cortex, including the V1, undergoes the optimization process of the neural circuit through the experience of the early life in order to secure its inherent function. The specific period of this early life is generally called the 'critical period'. The visual cortex (V1) has the greatest plasticity in the critical period, and at this time, the optimization of neural circuits by experience occurs. Previous studies have shown that in the primary sensory cortex, the intra-cortical synaptic plasticity decreases or disappears after the end of the critical period, and it is known that the development of inhibitory neural circuits plays an important role for termination of critical period. On the other hand, it is important that the association cortex has the ability to collect and process information between different cerebral regions throughout the life rather than optimization of experience-dependent neural circuits. However, there is limited research into whether there is a “critical period” in the development of association cortex and what functional development is occurring at this time. In chapter 1, I have confirmed the structural and functional changes of two different cortical regions with have similar internal circuit structures, the primary visual cortex and the temporal association cortex. In particular, recent clinical reports have shown that patients with mood and cognitive impairment such as bipolar disorder, autism and schizophrenia show structural and functional abnormalities in cerebral cortex, particularly the prefrontal Cortex (PFC). PFC is an association cortex that by using a perceptual and emotional information provided by each cortex or subcortical regions, known to function as a value-based judgment and selection. Understanding how PFC synapses and associated neural circuits originally function will not only broaden our understanding of the brain, but will also contribute to the effective treatment of various neuropsychiatric disorders in the future. To identify correlation between behavioral abnormalities and neuronal, synaptic, and neural circuit dysfunctions, I used two mouse models with behavioral anomalies known to be associated with various PFCs Cytoplasmic FMR1-interacting protein 2 (Cyfip2) is an actin-regulatory protein that is expressed in synapses. Cyfip2+/- mice exhibit manic-like behavior in response to the mood stabilizer lithium. Manic episode is one of the main features of bipolar disorder, which characterized by increased mood, increased activity and energy, and increased sociability. Although there are clinical reports of structural and functional abnormality of PFC in patients with bipolar disorder, pathophysiological and the drug reaction mechanisms at the neuronal and synaptic levels have not been elucidated before. In chapter 2, I attempted to identify the correlation between neuronal and synaptic dysfunction and behavior in PFC through Cyfip2 gene loss mouse model showing manic-like behavior. Depression, anxiety, and social hierarchy are also related to the prefrontal area of the cerebral cortex. Cereblon (CRBN) deficient mouse model exhibits impaired behavior of depression, anxiety, and social dominance. Follow the previous report, CRBN was first identified from the patient with mild intellectual disability (ID), that mutation in CRBN genome was found. Deletion or microduplication in various regions of CRBN was associated with cognitive and behavioral disturbances. Recent studies have shown that CRBN protein forms a CRL4CRBN E3 ubiquitin ligase complex with cullin-4A (CUL4A), DNA-binding protein 1 (DDB1) and regulator of cullins 1 (ROC1). With the CRL4CRBN complex, acts as a receptor that binds to the protein to be regulated and brings them into the E3 ubiquitin ligase complex. Previous studies using CRBN deficient mice have shown that the CRBN protein modulates the secretory probability and cognitive behavior of pre-synaptic cells by regulating BK channel expression on the surface of pre-synaptic cells in the hippocampus. However, depression and anxiety behaviors of Crbn KO mice are controlled independent of BK channel in hippocampal region, unlike cognitive behavior. In chapter 3, I investigated changes in the structure and function of excitatory synapses using the neuromuscular junction synapses of the Crbn mutant Drosophila. In addition, using the Crbn KO mouse which showing abnormal mood and social behavior, observed changes in neural circuit and synaptic function in the connected region of the PFC and in the area where signal is transmitted to the corresponding region These studies, which examined the development of diverse functional cortical and external neural networks and how their dysfunctions appeared in neurons and synapses of neuropsychiatric disorders, have contributed greatly to understanding the structural universality and functional diversity of the cerebral cortex. It is expected that it will be applied to understand the cortex - dependent higher brain function and brain diseases and to establish the future treatment mechanism. 우리의 뇌는 약 천억 개의 신경세포들로 구성된 가장 복잡한 기능을 하는 기관이다. ‘대뇌피질’은 이러한 뇌를 구성하는 하위기관 중 가장 넓은 면적을 차지하며 구조적으로 구획화되어 있다. 또한 대뇌피질은 구획화된 영역을 통해 감각, 운동, 판단, 기억, 정보의 가공, 언어 등 다양한 기능을 수행한다. 예를 들면, 일차 감각피질인 시각피질(Visual Cortex)은 시각 정보를 가공하여 다른 피질에 전달하는 반면, 연합피질인 측두엽피질 (Temporal Association Cortex)은 감각피질로부터 받은 정보를 수집하여 중간정보를 가공하는 대뇌피질 영역으로서, 지각기반 판단 기능에 연관되어 있다. 우리가 보면서 동시에 말하고, 들으면서 운동할 수 있는 것은 대뇌피질이 동시에 다양한 기능을 수행할 수 있기 때문이다. 대뇌피질은 이러한 멀티태스킹 (multi-tasking)을 위해 각각 기능에 최적화된 영역들이 해당 기능에 특화된 신경회로를 이루게끔 발달된다. 대뇌피질을 구성하는 신경세포와 시냅스, 또는 신경회로의 기능이상은 다양하고 복잡한 뇌질환의 원인이 된다. 예를 들어 조울증, 조현병, 자폐증 등이 대뇌피질의 기능 이상에서 기인하는 것으로 알려져 있는 정신질환이다. 따라서 정상적인 대뇌피질 신경 및 신경회로의 기능과 발달을 이해하는 것은 뇌에 대한 우리의 이해를 넓혀 줄 뿐만 아니라 장차 다양한 신경정신질환의 효과적인 치료법을 도출하는데 기여할 것이다. 대뇌피질이 다양한 기능 조절에 관여함에도 불구하고, 영역 내 신경회로의 기본 구조는 영역 구분 없이 상당히 동일하다. 대뇌피질의 기능적 다양성은 외부에서 들어오는 신경회로가 가지는 다양성 때문으로 이해되어 왔으며, 각각 영역의 기능에 최적화되어 발달될 것으로 추정되지만, 이들 서로 다른 대뇌피질간 과연 동일한 발달기전을 가지는지는 잘 알려져 있지 않다. 시각피질을 포함한 일차감각피질은 고유의 기능을 확보하기 위해 생애 초반의 경험을 통한 신경회로의 최적화 과정을 거친다. 이러한 생애 초기 특정시기를 일반적으로 ‘결정적 시기(Critical Period)’ 라고 한다. 시각피질은 critical period에 가장 큰 가소성을 가지며, 이 시기에 경험에 의한 신경회로의 최적화가 일어난다. 기존 연구들을 통해 일차감각피질에서는 critical period가 종료된 이후에는 피질 내(intra-cortical) 시냅스의 가소성이 감소하거나 소실된다는 것이 밝혀졌으며, 이에 억제성 신경회로의 발달이 중요한 역할을 한다는 것이 알려져 있다. 반면, 연합피질은 경험의존적 신경회로의 최적화보다는, 서로 다른 대뇌 영역간의 정보를 수집하여 가공하는 기능이 생애 전반에 걸쳐 일어나는 것이 중요하다. 그러나 연합피질의 발달에 ‘결정적 시기’가 있는지, 이 시기에 어떠한 기능적 발달이 일어나는지에 대한 연구는 부족하다. 1장에서는 유사한 내부 신경회로 구조를 가지는 서로 다른 두 피질 영역, 일차감각피질인 시각피질과, 연합피질인 측두엽피질의 발달상 신경세포의 구조 및 기능 변화를 확인하였다. 대뇌 피질의 기능이상은 다양한 신경정신질환을 야기한다. 특히 최근의 여러 임상학적 보고들에 의하면, 조현병, 자폐증, 조울증 등과 같은 기분 및 인지장애 환자들은 대뇌피질 중에서도 특히 전전두엽피질(prefrontal Cortex, PFC)의 구조 및 기능이상을 보임이 알려져 있다. PFC는 각 피질에서 제공된 지각정보를 감정정보와 함께 종합하여 가치에 기반을 둔 판단과 선택의 기능을 한다고 알려진 연합피질영역이다. 따라서 PFC의 시냅스 및 연관된 신경회로가 원래는 어떠한 기능을 하는지 이해하는 것은 뇌에 대한 우리의 이해를 넓혀 줄 뿐만 아니라, 장차 다양한 신경정신질환의 효과적인 치료법을 도출하는데 기여할 것이다. 본 연구자는 다양한 PFC와 연관되어있다고 알려진 행동학적 이상을 보이는 두 가지 마우스 모델을 사용하여 신경세포와 시냅스, 신경회로의 기능이상을 확인하였다. Cytoplasmic FMR1-interacting protein 2(Cyfip2) 는 시냅스에 발현하는 actin-조절자 단백질이며, Cyfip2 유전자 손실 마우스는 정신안정제인 lithium에 반응하는 manic-like 행동을 보인다. 조증(manic episode)은 양극성 장애의 주된 특징 중 하나로, 기분이 고조되고, 활동성과 에너지의 증가와 사교성의 증가를 특징으로 하는 장애이다. 양극성 장애를 가진 환자군에서 PFC의 구조 및 기능이상을 보인다는 임상학적 보고들이 있으나, 신경세포 및 시냅스 수준에서의 병태생리학적 기전과 약물반응기전에 대해서는 거의 밝혀진 바가 없다. 이러한 중요성에 착안하여 2장에서는 manic-like 행동을 보이는 Cyfip2 유전자 손실 마우스 모델을 통해, PFC에서의 신경세포 및 시냅스 기능이상과 이상행동과의 상관관계를 확인하였다. 우울, 불안과 같은 기분장애와 사회성, social dominance 역시 대뇌피질의 전전두엽 영역과 연관되어 있음이 최근 많은 연구들을 통해 밝혀지고 있다. Cereblon (CRBN) 결손 마우스 모델은 subordinate한 dominance behavior를 보이며, 우울, 불안 장애 행동을 보인다. Cereblon (CRBN)은 IQ 50~70 사이의 경도 지적장애(mild intellectual disability)를 보이는 환자들에서 돌연변이가 있음이 최초로 발견되었으며, CRBN 유전체 다양한 영역의 결손이나 microduplication이 인지 및 행동장애와 연관이 있음이 보고된 바 있다. CRBN 단백질은 DNA-binding protein 1(DDB1), cullin-4A(CUL4A), regulator of cullins 1(ROC1)과 함께 CRL4CRBN E3 ubiquitin ligase complex를 형성하며 위 복합체에서 CRBN은 조절을 받을 단백질과 결합하여 이들을 E3 ubiquitin ligase complex로 데려오는 receptor 역할을 함이 밝혀졌다. 최근 CRBN 유전자 결손 마우스를 이용한 연구를 통해 CRBN 단백질이 BKca channel과 AMPKα의 인산화를 통해 해마의 Schaffer collateral – CA1 시냅스의 기능 및 cognitive behavior를 조절한다는 것을 밝힌 바 있다. 그러나 CRBN KO 마우스의 우울, 불안행동 및 social dominance behavior는 인지행동과는 달리 해마영역의 BK channel과 무관하게 조절된다. 3장에서는 CRBN mutant 초파리의 근신경접합부를 사용하여 흥분성 시냅스의 구조 및 기능의 변화를 확인하였으며, Social dominance 및 기분장애 행동 이상을 보이는 CRBN 유전자 결손 마우스를 이용하여 PFC 및 해당영역에 신호를 주고 받는 주변영역과 구축하는 신경회로 및 시냅스 기능변화를 관찰하였다. 다양한 기능을 하는 대뇌피질 내/외부 신경망의 발달과, 그 기능이상이 신경정신질환의 신경세포 및 시냅스에서 어떻게 나타나는지를 확인한 본 연구들은 대뇌피질의 구조적 보편성과 기능적 다양성을 이해하는 데 크게 기여할 뿐 아니라 피질 의존적인 고등 뇌기능 및 뇌질환을 이해하여 향후 치료기전을 확립하는 데 주요하게 응용될 것으로 기대된다.

The Multifunctional Nature of Motor Cortex

Telian, Gregory Isaiah University of California, Berkeley ProQuest Disser 2021 해외박사(DDOD)

The cerebral cortex is responsible for neural functions ranging from basic sensory processing to complex decision making. However, the underlying neural processes and the precise function of some cortical areas are not well understood. For humans the cortex is invaluable, providing us with our most powerful cognitive traits. For some species, the cortex can be removed leaving only minor deficits. Stark contrasts like these blur the overall function and importance of cortex. Recent advancements in recording and analysis technology present us with a unique opportunity to search for neural processes previously impossible to find. Recent work has found cortical regions in mice that do more than their functional name implies, in contrast to the specialized cortical regions in higher order species. In this study we explore the hidden functions of mouse motor cortex and elaborate on its role in the whisker system. The mouse whisker system is traditionally divided into sensory regions and motor regions, with sensory cortex (vS1) and motor cortex (vM1) sitting on the border. The functional divisions between sensory and motor cortex have recently blurred, both regions able to drive movements and encode sensory information. Whisker motor cortex, specifically, exhibits disparate functions, making it an ideal place to study multirole cortex. Here we take advantage of advanced neural recording and analysis techniques and uncover a motor cortex that acts as a sensory and possibly a higher order cortical region as well.In chapter 1, I provide an overview of how cortical regions were defined and then summarize how modern research is blurring the lines between functionally defined cortical areas. I then introduce sensory processing in the mouse whisker system with a focus on motor cortex, a cortical region where its function is increasingly blurring, and then describe how my research explored non-motor functionality in a motor region. In chapter 2, I present my first first-author publication where we determined if somatosensory cortex integrates sensory information over short or long timescales in order to estimate "mean" variables. In this work I first use neural decoding to quantify how well each neuron represents pieces of sensory information and find that some neurons correlate with choice. Chapter 3 is work that I collaborated on, we determined how multiple sensors contribute to the receptive field of individual neurons and the broader population. We discovered a map of sensory space distributed across somatosensory cortex and determined the map was dependent on neurons integrating information from multiple sensors in parallel. Chapter 4, we explore whether somatosensory cortex is necessary for a whisker dependent discrimination task and further determine what arrangement of sensors are required for task completion. Finally, in Chapter 5 I present my main project investigating vibrissae motor cortex. Here I study the sensory responses present in motor cortex, quantifying vM1 sensory tuning for the first time, and ultimately determining that vS1 does not drive the activity as previously thought. Incredibly, vM1 is not required for whisker movements in general but is required during demanding whisker dependent contexts, such as a whisker discrimination task, affecting both choice, whisker movements, and onset of lick response. Finally, in Chapter 6, I summarize what this tells us about sensory processing, propose some ideas for future research, and discuss how modern tools can enable us to find hidden functionality.

감마선 조사가 총목피(Aralia elata Cortex)의 생리활성에 미치는 영향과 조사처리 Marker 확인

박혜진 경북대학교 대학원 2013 국내석사

천연 약용식물에 있어서 감마선 조사처리는 기능성 물질 탐색에 적용 시 추출수율을 증진, 색상 개선 등 산업적 응용을 용이하게 하는 방법으로 활용이 기대되고 있다. 천연 약용식물인 총목피에 감마선 조사 처리하여 총목피 추출물의 이화학적 특성, 기능성 식품 생리활성, 기능성 미용 소재 활성에 미치는 영향을 검토하고, 조사처리에 따른 판별마커 확인을 통해 조사처리 총목피의 식품 및 기능성 소재로서의 활용 가능성에 대해 연구하였다. 감마선 조사처리한 총목피의 이화학적 특성을 확인하고자 추출물의 total phenolics 함량을 측정한 결과, 0, 10, 30 kGy 선량의 총목피 열수 추출물에서 total phenolics 함량이 높았으며, 10 kGy 열수 추출물에서 17.30 mg/g으로 가장 높은 함량을 나타내었다. 유기용매의 경우, methanol > ethanol > acetone > butanol의 순으로 높은 phenolic 함량을 나타내었다. 용매별 추출 결과를 바탕으로 식용이 가능한 ethanol을 추출용매로 이용해 농도별 추출물의 total phenolics 함량을 측정한 결과, 조사처리를 하지 않은 비조사구 0 kGy는 열수 추출물에서 가장 높은 함량을 나타내었고, 조사구 5, 10, 30 kGy에서는 50% ethanol 추출물에서 가장 높게 나타났으며, 시간별 total phenolics 추출 함량을 측정한 결과 15시간 정도 추출하였을 때 가장 높은 용출량을 나타내는 것으로 확인되었다. 기계적 색도와 갈색도의 경우, 비조사구를 기준으로 하여 색차(⊿E)가 조사선량에 따라 10 kGy까지 증가하다가 30 kGy에서는 감소하는 추세를 보여 감마선 조사처리를 통해 시료의 색이 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 조사시료의 건강기능성 식품 활성 비교를 위한 항산화 효과를 확인한 결과 친수성 물질의 항산화 활성의 지표인 DPPH radical 소거효과와 ABTS radical 소거 효과는 조사 선량과 무관하게 200 μg/mL phenolic 농도로 처리 시 80% 이상의 높은 저해율을 나타났으며, 지용성 물질의 항산화 활성의 지표인 antioxidant protention factor와 Thiobarbituric acid reactive substances 저해효과는 10 kGy에서 가장 높게 나타나 total phenolics 함량이 증가함에 따라 항산화 효과가 증가하는 것으로 판단할 수 있었다. 항고혈압(ACE 저해) 효과는 비조사구인 0 kGy에 비해 5, 10, 30 kGy의 조사구에서 열수 및 50% ethanol 추출물 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, positive control captopril과 유사한 수준을 나타내었다. 항관절염(XOase 저해) 효과는 총목피 열수 추출물 200 μg/mL phenolic 농도로 처리 시 54.86-64.31%의 저해율로 positive control allopurinol과 유사한 수치를 나타내어 새로운 항관절염 치료제 사용 가능성을 확인할 수 있었다. 항당뇨 효과를 확인하기 위해 pancreatin α-amylase 저해 효과와 α-glucosidase 저해 효과를 확인하였으며, 그 결과 총목피 열수 및 50% ethanol 추출물 200 μg/mL phenolic 농도로 처리 시 모든 선량에서 60.00-100%에 가까운 높은 저해율을 나타내어 positive control acabose와 비교 시 월등히 우수한 항당뇨 효과를 확인할 수 있었고, 이를 통해 감마선 조사 처리한 총목피 추출물은 천연소재로써 항당뇨 관련 기능성 소재로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료되었다. 조사시료의 기능성 미용 소재 활성 비교를 위한 항염증(HAase 저해)효과를 확인한 결과 50% ethanol 추출물 200 μg/mL phenolic 농도로 처리 시 각 각 39.40-56.85%의 저해율을 나타내어, positive control인 Vitamin C와 유사한 수준임을 확인할 수 있었다. 감마선 조사처리한 총목피의 조사여부 판별마커 확인을 위해 광자극 발광(PSL), 열 발광(TL), 전자스핀공명(ESR)을 이용하여 확인시험을 진행하였다. PSL법의 경우, 비조사구 0 kGy에서 400.00 PCs로 음성(negative)시료로 판단되었으며, 조사구 5, 10, 30 kGy에서 각 각 90100.00 PCs, 312614.33 PCs, 321661.67 PCs로 나타나 양성(positive)시료로 확인되었다. TL법 적용 시 비조사구 0 kGy에서 자연방사선에 의한 300℃ 부근에서, 조사구 5, 10, 30 kGy는 150-250℃의 부근에서 특유의 glow curve를 나타내었다. TL ratio는 비조사구 0 kGy에서 0.011로 0.1 이하의 값을 나타났으며, 조사구 5, 10, 30 kGy는 각 각 1.105, 1.009, 2.206 으로 0.1 이상의 값을 나타내어 조사구로 확인되었다. ESR법에 따른 측정결과는 비조사구 0 kGy에서 대칭적인 unspecific central ESR 신호를 보여주었고, 조사구 5, 10, 30 kGy에서는 대칭적인 unspecific central ESR 신호 좌우로 cellulose를 함유한 조사 식품에서 나타나는 한 쌍의 peak가 6.0 mT의 공간을 두고 나타났다. 이상의 결과를 통해 PSL, TL, ESR법을 이용해 천연 약용식물인 총목피의 비조사구와 조사구간의 감마선 조사여부 판별이 가능한 것을 확인할 수 있었다. Aralia elata cortex is a medicinal plant that is used in traditional medicines to treat gastritis, rheumatic arthritis, inflammation nephritis and diabetes mellitus in Korea, China and Japan. The gamma irradiated-treatment of natural medicinal plants is expected to be used to facilitate industry application which improves extraction transference number and qualitative improvement of color when it applies for functionality of material exploration. This study was designed to investigate the effects of gamma-irradiation treatment on the physicochemical characteristics, physiological activities, and inhibition activities in cosmetic materials of extracts from irradiated Aralia elata cortex. Inaddition, different physical techniques (PSL, TL and ESR) were used as irradiation identification markers for Aralia elata cortex. In physiochemical analysis, the effect of gamma irradiation (0, 5, 10 and 30 kGy) on water and 50% extracts from Araliaelatacortexwasevaluated.As a result, 0, 10, 30 kGy water extracts from Aralia elata cortex of tota lphenolics contents were the highest. Among all applied irradiation doses, 10 kGy treated water extracts from Aralia elata cortex produced the highest total phenolic content (17.30mg/g). Several extraction solvents such as methanol, ethanol, acetone and butanol were used to extract different bioactive compounds. The extraction yield was highest with methanol solvent followed by ethanol, acetone, and butanol. In case of Hunter's color value and Hydrophilic brown color, there had been a consistent trend matching the increase of gamma irradiation dose to 10 kGy. DPPH scavenging activity and ABTS radical cation decolorization activity of all dose extracts were over 80% inhibition at 200 μg/mL. Antioxidant protection factor (PF) and TBARs were receded to increase of gamma irradiation dose. These results confirmed that antioxidant activities of extracts from gamma irradiated Aralia elata cortex was increased by 10 kGy irradiation dose. ACE inhibition activity increased both water and 50% ethanol extracts in 5, 10, 30 kGy compared to the 0 kGy, and it showed to be the similar level with the positive control captopril. To confirm the anti-diabetic effects, pancreatin α-amylase inhibition activity and α-glucosidase inhibition activity were checked out. As a result, in the water and 50% ethanol extracts from Aralia elata cortex at 200ug/mL all showed 60.00-100% inhibition rate and outstanding anti-diabetic effects compared to the positive control acabose. In order to compare activities of cosmetic materials, HAase inhibition activity was studied. Then in the treatment of 50% ethanol extracts 200 ug/mL, each showed 39.40-56.85% inhibition rate, the similar level of the positive control Vitamin C. Irradiation-induced markers were analyzed in terms of characteristics of PSL, TL and ESR to identify gamma-irradiated (0, 5, 10 and 30 kGy) Aralia elata cortex. PSL analysis gave negative results (<700 PCs) for the nonirradiated and intermediate (700-5,000 PCs) or positive results (>5,000 PCs) for the irradiated samples. TL glow curves (TL1) of minerals isolated from the cortex samples peaked at about 150℃ with the highest intensity in irradiated samples, whereas appeared at above 300℃ with little intensity in the nonirradiated one. The normalization (TL1/TL2 ratio) of TL1 results through re-irradiation step at 1 kGy enhanced the reliability of identification results on all the irradiated samples. The shape, intensity, and occurrence of TL glow curve in a typical temperature range (150-250℃) along with TL ratio (TL1/TL2) provided sufficient information to confirm the irradiation history of samples. The result in which ESR spectrometry was applied showed the symmetrical unspecific central ESR signal for the 0 kGy. Radiation-specific cellulose signals were detected for 5, 10 and 30 kGy. These results confirmed the potential of physical detection techniques (PSL, TL and ESR) to identify gamma-irradiated Aralia elata cortex. Moreover, on the basis of above findings, it is suggested that physiological activities of medicinal plants extracts can be increased by gamma irradiation treatment and could be used effectively in food manufacturing and related industries.

Developmental changes in cortical inhibitory circuits of visual and temporal cortex

서윤담 서울대학교 대학원 2016 국내석사

The development of neural circuit during critical period is controlled by inhibitory neuronal circuits constituting 20% of the neurons in the cerebral cortex. This change occurs dramatically at 3weeks to 1 month after birth with experience-dependent manner in rodent. Visual cortex shows a good correlation between the progress of the critical period and the development of inhibitory neural circuits. This brain area receives input directly to the visual information from the eye, but in case of temporal cortex does not receive direct input from sensory organs. The critical period timing is controlled by sensory experience. So, the critical period of sensory cortex is well defined but the development of inhibitory circuits in temporal cortex is still unknown. In this experiment, I investigated inhibitory circuit development of temporal cortex. First, I stained parvalbumin - positive interneuron, one of the inhibitory interneuron, which is projecting to GABAA receptor on pyramidal neuron. The GABAA receptor has important role to control the critical period. I found that the number of parvalbumin – positive neurons in temporal cortex is less than visual cortex both 3weeks and 8weeks. Next, I stained perineuronal nets which are associated mostly with inhibitory interneurons and are thought to be responsible for maintaining the excitatory/inhibitory balance in the adult brain. It is also related to the critical period. The intensity of perineuronal net in temporal cortex at 3weeks and 8weeks is weaker than visual cortex. These findings suggest that the meaning of inhibitory circuit development in temporal cortex. But it is unclear whether cortical areas excluding sensory cortices association cortices including temporal cortex have critical period.

Functional connectivity change in perturbation of frontal cortex activity

Kim, Hyungseok Sungkyunkwan university 2020 국내석사

본 연구에서는 ‘디폴트 모드 네트워크’중 한 부분인 전두엽이 휴지상태에서 일어나는 자발적인 반응을 조절하는 역할을 할 것이다라는 가정을 세우고 이를 검증하기 위한 방법으로 전두엽의 기능을 억제시킨다고 알려진 스트레스를 동물에 가하는 실험, 신경세포의 활동전위를 억제시킨다고 알려진 테트로도톡신(TTX)을 전두엽에 주입하는 실험에서 동물의 대뇌 피질에서 일어나는 자발적인 반응을 관찰하였음. 사용된 동물은 대뇌피질의 흥분성 신경세포에 형광물질인 GCaMP를 발현하는 유전자 변형 쥐인 Thy1-GCaMP6s로 실제 신경세포 간의 기능적 연결성과 혈류역학 기반 기능적 연결성에 대한 정보를 모두 얻을 수 있어 각각의 실험조건에서 두 가지 정보의 차이가 존재하는지도 관찰하였음. 또한 자체 제작한 광범위 광학 이미징 장비를 통해 두 가지 정보를 효과적으로 얻었을 수 있었음. 먼저 스트레스 실험에서 동물의 혈류역학 기반 기능적 연결성은 스트레스 그룹에서 대뇌 반구간 연결성은 줄어들고 반구 내부 연결성은 증가하는 경향을 보였으나 실제 신경세포 신호 기반 기능적 연결성은 변화가 없는 것을 관찰하였음. 이는 스트레스 그룹에서 HRF에서 나타나는 신경세포와 혈류 역학간의 관계가 통제 그룹과 달라지는 영향 때문으로 해석할 수 있었음. 두 번째로 TTX를 이용한 실험에서 통제 그룹과 달리 TTX를 주입한 쪽 운동 피질과 다른 감각 피질간의 연결성이 감소하였고 해당 피질의 자발적 활성이 줄어들었다는 것을 확인하였음. 하지만 오히려 retrosplenial cortex와 같은 같은 디폴트 네트워크간의 연결성은 증가하였음. 따라서 전두엽의 활성을 억제시켰을 때 나타나는 변화는 억제됨에 따른 지역적인 활성 정도의 변화와 기능적 연결성의 변화가 일어나며 다른 대뇌피질의 연결성 변화에는 영향을 미치지 않는다는 것을 관찰 하였음. Slow but spatio-temporally correlated blood oxygenation fluctuations have been observed even when the subject is at rest. But which neural input from brain region plays a role in modulating connectivity of cerebral cortex is largely unknown. Here, we focus on frontal cortex which is considered as one of the ‘default mode network’ in mouse. We hypothesized that modulation of frontal cortex in mice may affect the resting state fluctuation in cerebral cortex. By blocking neural input from frontal cortex, we tried to see the contribution of frontal cortex in fluctuation on cerebral cortex. . We developed conventional wide-field optical imaging system that uses 2 different wavelengths which are 460nm, 530nm, and sCMOS camera was synchronized with LED light source. We used whole skull thinned transgenic mouse model (Thy1-GCaMP6s) and mouse were urethane anesthetized when used in experiments. First, we used acute restraint stress model to bring systemic dysfunction to frontal cortex. We found that in acute stress group, FC change only occurred in hemodynamic based measurement while neural signal based FC did not change. The gap between results from two modalities was attributed to changes in HRF under acute stress condition. Second, we injected TTX into cingulate cortex and compared fluctuation level and FC of that of sham control (PBS injected mouse). After acutely blocking frontal cortex with TTX, the fluctuation level of GCaMP fluorescence in ipsi-lateral motor cortex significantly decreased. When we measured FC, connection between ipsi-lateral motor cortex and sensory cortices was significantly decreased and this trend was reversed in visual cortex and retrosplenial cortex (RS). This might reflect default mode network connection between frontal cortex and RS. Overall, acutely blocking frontal cortex shows frontal cortex mediated changes in spontaneous fluctuation.

정상 성인과 뇌졸중 환자에서 기능적 자기공명영상과 경두부 자기자극을 이용한 동측 대뇌피질의 일차운동영역과 전운동영역의 활성양상 비교

유우경 연세대학교 2005 국내박사

Activation of the ipsilateral motor area might be a prognostic indicator of the recovery of the hand function in stroke patients. However, the use of the activation pattern of the ipsilateral primary motor cortex and the premotor cortex, as a prognostic indicator of the recovery of the hand function, has not been explored enough. In particular, there is a paucity of reports on the use of transcranial magnetic stimulation. This study examined 13 healthy right-handed subjects (7 younger aged, 6 older aged) and 13 stroke patients. The motor evoked potentials (MEPs) were recorded from the left Abductor Pollicis Brevis (APB) muscle by stimulating the primary motor cortex, during finger movement, ipsilateral to the stimulated hemisphere. This study measured the changes in the MEP amplitude during the performance of various motor tasks of different complexity in both the dominant and non-dominant hand. The motor tasks were (1) repetitive opposition of the thumb and 3rd finger (simple movement), and (2) repetitive sequential opposition of the thumb and 3rd, 5th, 2nd and 4th finger (complex movement). Functional MRI was performed using a 1.5T Phillips scanner for all subjects with the same tasks. Than the activated areas were analysed statistically after postprocessing procedure. The hemodynamic response changes in the ipsilateral premotor and primary motor area were compared with the changes in the MEP amplitude. The ipsilateral premotor cortex was activated more in the younger and older aged control groups, and the activity increased upon the complexity and dominancy. In the primary motor area, the activity increased only in the movement of the non-dominant hand. The ipsilateral finger movements produced changes in the activity of the ipsilateral motor and premotor areas with a similar pattern being observed on the functional MRI and TMS. The excitability of the ipsilateral motor cortex, as measured by the degree of changes in the MEP amplitudes, showed a good correlation with the degree of the hemodynamic response changes in the voxel of interest (VOI) in the premotor cortex. In the stroke patients, complex movements showed larger changes in the hemodynamic response function of the ipsilateral premotor cortex. However, there were no changes in the MEP amplitude during the complex hand movements. The lesioned hemisphere was more activated in patients showing a good recovery of the hand function. The primary motor area was activated symmetrically and there were no significant differences between the good and poorly recovered patients. The excitability of the ipsilateral motor cortex, as measured by the degree of changes in the MEP amplitudes, was also well correlated with the degree of the hemodynamic response changes on the voxel of interest (VOI) in the premotor cortex, and was negatively correlated with the Jebsen hand function test.In conclusion, the changes of MEP amplitude during unilateral hand movement had a relationship with the ipsilateral premotor cortex activation, which showed different activation patterns according to the hand recovery in stroke patients, and that might give us a clue in determining prognostic value. 최근 동측의 대뇌피질 활성화 정도가 뇌졸중 환자에서 예후를 판단할 수 있는 기준으로 제시되고 있다. 그럼에도 불구하고 아직 동측의 일차운동영역과 전운동영역의 활성화에 대한 이해와 연구는 부족한 상태이다. 특히 경두부 자기자극을 이용한 연구들은 매우 제한적으로 시도되었다. 본 연구는 정상 성인과 뇌졸중 환자에서 기능적 자기공명영상과 경두부 자기자극을 이용하여 손의 단순운동과 복잡운동을 하였을 때 동측의 운동영역에 대한 활성화 양상과 손의 기능회복과의 관계를 확인하고자 하였다. 오른손잡이 정상 성인 13명 (청년군 7명, 노년군 6명)과 뇌졸중 환자 13명을 대상으로 하였다. 경두부 자기자극을 시행하여 손의 근육에서 가장 큰 진폭의 운동유발전위를 일으키는 점을 찾고 운동역치를 구한 후, 역치의 130%로 자극을 주면서 반대측 손의 휴식, 단순운동 및 복잡운동 시에 운동유발전위의 진폭을 구하였다. 기능적 자기공명영상은 경두부 자기자극 시와 같은 방법으로 단순운동과 복잡운동을 시행하면서 영상을 얻은 후 통계 분석하여 활성 뇌영역을 구하였다. 또한 얻어진 영상에서 운동을 실시한 손의 동측 일차운동영역과 전운동영역에서 혈역학적 변화를 측정하고, 이를 운동유발전위의 진폭과 비교하였다.정상 청년군과 노년군에서 경두부 자기자극에 의한 운동유발전위의 진폭은 비우세손의 운동 시 우세손보다 증가하였고, 복잡운동 시 단순운동보다 더 증가되었다. 또한 기능적 자기공명영상에서 얻은 동측 대뇌피질의 혈역학적 변화는 전운동영역이 일차운동영역보다 더 크게 나타났다. 전운동영역의 활성은 비우세손이 우세손보다, 복잡운동에서 단순운동 시 보다 더 크게 나타났으며, 운동유발전위의 진폭의 변화와 통계적으로 유의한 상관관계를 보였다. 이에 비하여 일차운동영역의 활성은 비우세손의 운동 시에만 증가되었으며, 운동유발전위의 진폭변화와 상관관계가 없었다. 뇌졸중 환자에서 운동유발전위 진폭의 변화를 보면 병변측 손의 운동 시에는 복잡운동에서 단순운동보다 증가되었으나, 건측 손의 운동 시에는 운동의 종류에 따른 진폭의 차이를 보이지 않았다. 뇌졸중 환자를 손의 운동회복의 정도에 따라 좋은군과 나쁜군으로 나누어 보았을 때 운동회복이 좋은군은 건측의 손운동 시 복잡성에 따른 진폭의 변화가 나타났고, 운동회복이 나쁜군에서는 운동의 종류에 따른 차이를 보이지 않았다. 기능적 자기공명영상에서 얻어진 동측 전운동영역의 혈역학적 변화는 운동측 손의 병변 여부에 관계없이 복잡운동 시 단순운동보다 더 크게 나타났다. 손운동 회복의 예후에 따라 구분하여 보았을 때에는 운동회복이 좋은군보다 나쁜군에서 운동의 종류에 따른 혈역학적 변화가 더 크게 나타났다. 뇌졸중 환자에서도 기능적 자기공명영상에서 얻은 전운동영역의 혈역학적 변화와 운동유발전위의 진폭의 변화는 통계적으로 유의한 상관관계를 보였으며, 이를 Jebsen손기능 평가 도구를 이용하여 측정한 손기능 점수와 비교하였을 때, 음의 상관관계를 보여 손의 기능이 나쁜 경우에는 동측 전운동영역의 활성이 더 크게 나타남을 알 수 있었다.이상의 결과를 바탕으로 일측 손의 운동 시 복잡성에 따른 운동유발전위 진폭의 변화는 동측 전운동영역의 활성과 관련이 있는 것으로 생각되며, 이러한 변화는 뇌졸중 환자에서 손기능의 회복정도에 따라 다른 양상을 보여 기능 회복의 예후에 대한 단서가 될 수 있을 것으로 생각된다.

정상 성인에서 10 Hz 반복 경두부자기자극을 이용한 일차운동영역과 내측전두엽영역의 자극이 감각 및 통증 역치에 미치는 영향 비교

도원수 연세대학교 대학원 2005 국내석사

경막외 전극의 삽입을 통한 운동영역자극은 만성통증을 감소시켜 주는 효과가 있는 것으로 알려져 있으며 종래의 연구들에서 시상통증, 삼차신경통, 환상통, 신경병성 통증에서 효과를 보고하였다. 최근에는 경두부 자기자극(rTMS)을 이용하여 비침습적으로 운동영역을 반복 자극할 수 있게 되면서 통증 조절을 위한 운동영역자극의 효과가 보고되고 있다. 그러나 지금까지의 연구들은 통증의 감소에 있어 보고마다 차이를 보이고 있고 대부분 통증을 조절하기 위하여 일차운동영역을 자극하여 통증의 대뇌피질의 조절에서 중요한 다른 영역들에 대한 자극의 효과에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 이 연구에서는 건강한 정상 성인을 대상으로 일차운동영역과 내측전두엽에 고빈도 (10 Hz) 반복 경두부 자기자극이 감각 역치와 통증 역치에 미치는 영향을 확인함으로써 각 영역이 통증 조절에 관여하는 역할에 대하여 확인하고 치료로 사용가능한지를 알아보고자 하였다.건강한 젊은 성인 남녀 16명을 대상으로 일차운동영역 자극 군 8명과 내측전두엽 자극 군 8명으로 나누어 반복 경두부 자기자극 전과 자극 후 1분, 30분, 60분에 감각 역치와 통증 역치의 변화를 측정하였다. 반복 경두부 자기자극은 각 피검자에서 구해진 운동 역치의 90% 강도로 10 Hz, 900개 (50개 x 18 구간, 자극구간 간 간격 10초) 자극을 대상 군 중 8명은 내측전두엽에, 나머지 8명은 일차운동영역에 시행하였고, 순서를 다르게 하여 위자극(sham stimulation)을 시행하였다.내측전두엽 자극 군의 경우는 감각 역치는 반복 경두부 자기자극 전과 자극 후 시간에 따른 변화에서 시간에 따른 서로 유의한 차이를 보이지 않았으나, 통증 역치의 경우는 위자극 군과 비교해서 자극 후 30분에 통증 역치의 의미 있는 감소를 보였다 (p<0.05). 반면에 일차운동영역 자극 군의 경우는 감각 역치에서 위자극 군과 비교해서 자극 후 30분에 감각 역치의 의미 있는 증가를 보였으며, 통증 역치에서도 자극 후 1분, 30분에 통증 역치의 의미 있는 증가를 보였다 (p<0.05). 이는 일차운동영역과 마찬가지로 내측전두엽 영역이 통증의 조절에 관여하는 것을 보여주는 결과이나, 고빈도 반복 경두부 자기자극에 대한 반응은 두 영역에서 서로 달라, 통증의 조절에 두 영역이 서로 다른 기전으로 관여할 수 있음을 알 수 있었다. It is known that motor cortex stimulation by inserting an electrical probe through the epidural space decreases pain. Researchers reported in previous studies that this stimulation is also effective for reducing thalamic pain, trigeminal neuropathic pain, phantom limbic pain, and neuropathic pain. The effectiveness of motor cortex stimulation for controlling pain was reported recently using non-invasive repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). Nonetheless, the degree of pain reduction has been different in each study, and not many studies have been done on the effects of stimulating other areas of the brain important for controlling pain by stimulating the primary motor cortex area. Thus, repetitive transcranial magnetic stimulation (10Hz) was applied in the motor cortex and medial frontal cortex to examine the effects on current perception threshold (CPT) and pain tolerance threshold (PTT) in healthy adults, for the purpose of examining the role of each area of the brain for controlling pain and the possibility of actually applying this method in clinical settings.In 16 healthy young male and female adults (9 men and 7 women whose mean age was 26.7 ± 4.9 years), repetitive transcranial magnetic stimulation was applied in the primary motor cortex in 8 subjects and the medial frontal cortex, 8 subjects. Changes in CPT and PTT were measured before stimulation and by stimulation 1, 30 and 60 min. Repetitive transcranial magnetic stimulation was applied at 10 Hz, which was 90% of motor threshold, at 900 sites (50 sites x 18 areas at an interval of 10 sec between stimulation areas). Sham stimulation was also done by changing the order of stimulation.In the subjects whose medial frontal cortex was stimulated, CPT was not significant difference according to time after repetitive transcranial magnetic stimulation, but PTT was significantly decreased by 30 min after stimulation compared with sham stimulation (p<0.05). On the other hand, in the subjects whose primary motor cortex was stimulated, CPT was significantly increased by 30 min after stimulation compared with sham stimulation and PTT was also significantly increased by 1 and 30 min after stimulation (p<0.05), suggesting that the medial frontal cortex also participates in controlling pain as in the case of primary motor cortex. However, each area showed an opposite response to repetitive transcranial magnetic stimulation, suggesting that a different mechanism of controlling pain is involved in each area.

흰쥐의 운동 및 시각피질에서 Vasoactive intestinal peptide, neuropeptide Y 및 Somatostatin 신경세포의 생후발달에 관한 면역세포화학적 연구

김미경 梨花女子大學校 1994 국내박사

Cortex-A9 기반의 온도보상 알고리즘을 적용한 휴대용 방사선 검출장치 구현

이존휘 아주대학교 2013 국내석사

국제적으로 해운물류 안전•보안이 강화되고 있다. 이에 따라 국내의 해운물류 산업의 지속적인 발전을 위해 안전•보안을 위한 기술들이 연구되고 있다. 현재 국내에서는 해운물류의 안전•보안을 위해 X선을 이용한 3차원 컨테이너 검색장치와 같은 첨단항만운영시스템이 개발되고 있다. 첨단항만운영시스템의 일부인 휴대용 방사선 검출장치의 필요성은 화물 보안 강화의 중요성과 함께 증가하고 있다. 본 논문에서는 ARM Cortex-A9을 기반으로 한 휴대용 방사선 검출장치의 구현에 관한 연구와 정확도 향상을 위해 구현된 플랫폼에 온도보상 알고리즘을 적용하는 것에 관한 연구를 제안하고자 한다. 감마선 검출 센서를 통해 출력되는 신호를 일련의 아날로그 회로를 거쳐 분석에 쉽도록 변형시킨다. 변형된 신호는 펄스 발생신호와 함께 Cortex-A9 플랫폼의 ADC(Analog-to-Digital Converter)로 전달된다. 그 후 플랫폼에서는 전달받은 펄스의 최댓값을 기준으로 에너지 발생의 빈도수를 기록한다. 기록된 빈도수는 저장된 라이브러리와의 비교를 거치게 되고 최종적으로 특정 핵종의 검출 여부를 파악할 수 있게 된다. 추가로 신틸레이터의 온도특성을 파악한 후에 온도 보상 알고리즘을 적용하여 결과를 보정 함으로써 온도가 변해도 같은 결과를 나타낼 수 있도록 한다. Safety and security system have been internationally enhanced in a field of shipping logistics. Accordingly, techniques for safety and security have been studied for sustainable development of shipping logistics in Korea. Currently, in this country, high-tech port system is being developed such as retrieval device of three-dimensional container with X-ray. It is for safety and security of shipping logistic. The need for portable radiation detection device, which is part of high-tech port system, is increasing along with the importance of strengthening security of cargo. In this thesis, we propose to study on the application of the temperature compensation algorithm to the platform that has been implemented to improve the accuracy and the realization of portable radiation detection device based on ARM Cortex-A9. In order to facilitate analysis via a series of the analog circuit, signal output from the gamma ray detection sensor is deformed. The converted signal with pulse generation signal is sent to the ADC of the cortex-A9 platform. After that, the platform records the frequency of the energy generation in based on the maximum value of the pulse received. The recorded frequency is compare to the stored library and finally, it is able to figure out the detection of a specific nuclide. Additionally, we figure out temperature characteristic of scintillator. After that, we use the temperature compensation algorithm for correct results, and thereby we can look the same results even if the temperature changes.