정상망막과 변성망막에서 전압자극 파라미터 변화에 따른 망막신경절세포의 반응 비교

예장희,류상백,김경환,구용숙,Ye, Jang-Hee,Ryu, Sang-Baek,Kim, Kyung-Hwan,Goo, Yong-Sook 한국의학물리학회 2010 의학물리 Vol.21 No.2

색소성망막염(retinitis pigmentosa: RP)이나 연령관련 황반변성(age-related macular degeneration: AMD)과 같은 망막질환으로 인해 실명한 환자를 위해 인공시각장치가 개발되고 있다. 인공시각장치의 동작원리는 전기자극을 주어 신경세포의 활동도를 조절하는 것이므로 시각정보를 제대로 인코딩하기 위해 최적의 전기자극을 인가하는 것은 인공시각장치의 실용화를 위해 매우 중요한 요소이다. 그러므로 본 연구에서는 전압자극의 크기와 자극시간을 변화시켜 가면서 정상망막과 변성망막에 인가한 후 자극에 의해 유발된 망막신경절세포 반응을 분석하고 역치전하밀도를 비교함으로써 최적의 전기자극 조건을 찾아보고자 하였다. 이를 위하여 정상마우스와 rd1 마우스의 망막을 in vitro 상태로 분리한 후 망막의 신경절세포층이 전극을 향하여 부착되도록 한 후 망막신호를 기록하였다. rd1 마우스에서 얻은 변성망막의 망막신경절세포에서도 전압펄스를 인가시 정상망막의 망막신경절세포처럼 전압자극의 크기와 자극시간 변조에 대하여 반응하였다. 그러나 정상망막과 변성망막에서 망막신경절세포 반응의 시간적 패턴은 매우 달랐다: 정상망막의 망막신경절세포 반응은 전기자극 후 약 100 ms 내에서 1개의 피크만 나타나는 반면, 변성망막에서는 이보다 긴 400 ms 구간에서 약 10 Hz의 진동리듬을 가진 다수의 피크(~4개)들이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 변성망막에서 망막신경절세포의 반응을 유발하기 위한 역치 전하밀도가 정상망막에서 보다 크게 상승하였다: 자극세기를 변화시켰을 때 정상망막의 역치 전하밀도는 $37.23{\sim}61.65\;{\mu}C/cm^2$, rd1 마우스에서는 $70.50{\sim}99.87\;{\mu}C/cm^2$로 2배가량 높은 것을 확인하였다. 자극시간을 변화시켰을 때 정상망막의 역치 전하밀도는 $22.69{\sim}37.57\;{\mu}C/cm^2$, rd1 마우스에서는 $120.5{\sim}170.6\;{\mu}C/cm^2$로 5배가량 높은 것을 확인하였다. Retinal prostheses are being developed to restore vision for the blind with retinal diseases such as retinitis pigmentosa (RP) or age-related macular degeneration (AMD). Since retinal prostheses depend upon electrical stimulation to control neural activity, optimal stimulation parameters for successful encoding of visual information are one of the most important requirements to enable visual perception. Therefore, in this paper, we focused on retinal ganglion cell (RGC) responses to different voltage stimulation parameters and compared threshold charge densities in normal and rd1 mice. For this purpose, we used in vitro preparation for the retina of normal and rd1 mice on micro-electrode arrays. When the neural network of rd1 mouse retinas is stimulated with voltage-controlled pulses, RGCs in degenerated retina also respond to voltage amplitude or voltage duration modulation as well in wild-type RGCs. But the temporal pattern of RGCs response is very different; in wild-type RGCs, single peak within 100 ms appears while in RGCs in degenerated retina multiple peaks (~4 peaks) with ~10 Hz rhythm within 400 ms appear. The thresholds for electrical activation of RGCs are overall more elevated in rd1 mouse retinas compared to wild-type mouse retinas: The thresholds for activation of RGCs in rd1 mouse retinas were on average two times higher ($70.50{\sim}99.87\;{\mu}C/cm^2$ vs. $37.23{\sim}61.65\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage amplitude modulation and five times higher ($120.5{\sim}170.6\;{\mu}C/cm^2$ vs. $22.69{\sim}37.57\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage duration modulation than those in wild-type mouse retinas. This is compatible with the findings from human studies that the currents required for evoking visual percepts in RP patients is much higher than those needed in healthy individuals. These results will be used as a guideline for optimal stimulation parameters for upcoming Korean-type retinal prosthesis.

시각신경 절단에 의한 조류망막내 미세아교세포의 변화에 대한 연구

전계선(Gye Sun Jeon),이 철(Cheol Lee),서제훈(Je Hoon Seo),강태천(Tae Cheon Kang),황덕호(Douk Ho Hwang),차중익(Choong Ik Cha),조사선(Sa Sun Cho) 대한해부학회 2000 Anatomy & Cell Biology Vol.33 No.3

신경조직이 손상을 받게되면 해당 신경세포의 퇴행성 변화와 함께 신경아교세포의 다양한 반응이 유발된다. 이중에서 도 astrocytic gliosis와 활동성미세아교세포 (activated microglia)의 출현이 잘 알려져 있으며 이와 같은 현상은 이들 세포와 체액성인자 (humoral factors) 등의 긴밀한 상호작용에 의하여 일어나는 것으로 알려져 있다. 망막은 중추신경계의 일부로서 세포학적 구성과 작용기전이 기본적으로 뇌와 동일하다. 특히 조류는 포유류와 달리 망 막내에 별아교세포 (astrocyte)가 존재하지 않으며 혈관이 분포하고 있지 않는 특이한 구조로 되어있으나 신경세포의 손상에 대한 미세아교세포의 반응양상이 아직 밝혀져 있지 않다. 따라서 이 연구에서는 성숙 메추리를 대상으로 안와 내로 접근하여 한쪽 시각신경을 절단한 후 시간의 경과에 따른 망막내 미세아교세포의 변화를 미세아교세포의 특이항체인 QH1 항체를 이용한 면역조직화학염색을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 정상 망막에서는 미세아교세포가 긴돌기미세아교세포의 형태 (ramified form)로, 주로 속얼기층에 분포되어 있었고 일부 는 바깥얼기층에서도 관찰되었다. 또한 신경섬유층에서는 시신경유두 (optic head) 주변부에서만 관찰되었고 신경절세포층에서는 거의 관찰되지 않았다. 시각신경이 절단된 망막의 경우 미세아교세포의 형태가 점차 아메바형태 (amoeboid form)로 바뀌었고 세포의 분포는 주 로 신경섬유층 및 신경절세포층에 집중되었다. 이와같은 활성화된 미세아교세포는 시각신경절단 후 14일에 숫적 증가가 가장 뚜렷하였으나 수술 후 21일, 28일이 경과하면서 그 수는 점차 감소하기 시작하였다. 그러나 수술 후 2개월까지도 활성화된 미세아교세포가 남아 있었다. 이상의 연구결과는 신경세포 손상시에 일어나는 미세아교세포의 이주와 증식이 비혈관성 신경조직에서도 일어나는 것으로 보아 이 세포의 이주와 증식이 혈관분포와 무관함을 시사하는 것으로 사료된다. Retina, a part of CNS, has served valuable and accessible tissue for elucidating the cellular properties of neurons and glia due to its similarity to brain. Unlike mammalian counterpart, avian retina is devoid of vessels and astrocytes. However little is known about glial reaction to neuronal injuries in this species. Therefore, this study was performed to investigate the microglial responses in the quail retina following neuronal injuries. The retinae from normal and optic nerve transected adult quails were studied immunohistochemically with anti-QH1, a marker known to be specific for microglia. In the normal retina, QH1-labeled microglial cells displayed typical feature of ramified (resting) form and were localized mainly in the inner plexiform layer. After optic nerve transection (ONT) morphology of microglial cells changed from the ramified to the amoeboid form. This feature of microglial cells maintained throughout the post operational periods until 28 days after ONT. Particularly, at 14 and 21 days after ONT amoeboid microglia displayed cell bodies with stout and bushy processes, suggesting active phagocytosis. The distribution pattern of microglia also changed in accord to ganglion cell degeneration: they gradually moved to layers of ganglion cells and optic nerve fibers where ganglion cell bodies and axons were under degeneration. This change of microglial distribution was most prominent at 14 days of ONT. The result of this study is generally consistent with that reported in mammalian counterpart and this similarity between the avascular avian retina and the vascularized mammalian counterpart suggests that processes of microglial activation, such as migration and phagocytosis, can occur in the vessel-free CNS tissue.

Morphological Changes of the Dopaminergic Network in the Rat Retina after Axotomy

천명훈,이은진,오수자,김현주 대한해부학회 2005 Anatomy & Cell Biology Vol.38 No.2

In the retina, dopaminergic cells express the receptor for brain-derived neurotrophic factor(BDNF),which is known to be retrogradely transported from higher center to the retina. This study was conducted to identifythe effect of optic nerve transaction on the dopaminergic cells in the rat retina by immunocytochemistry using anti-tyrosine hydroxylase(TH) antiserum. In the control retina, we found two types of TH-type I and type II, in the inner nuclear layer(INL) adjacent to the inner plexiform layer(IPL). The type I amacrine cellvaricosities formed ring-like structures in contact with AII amacrine cell somata in stratum 1 of the IPL. In theaxotomized retinas, TH-labeled processes formed loose networks of fibers, unlike the dense networks in the controlretina, and the ring-like structures were disrupted. Our data suggest that retrogradely transported neurotrophic factordopaminergic system. 망막에서 도파민을 함유하는 도파민성 무축삭세포 (Dopaminergic amacrine cell)는 brain-derived neurotrophic factor (BDNF)의 수용체를 발현한다. 이는 상위체계에서 망막으로 역행하여 이동된다. 본 연구에서는 흰쥐 망막에서 시각신경 절단 후 면역세포화학법을 이용하여 도파민성 무축삭세포의 표지물질인 TH의 발현변화에 대해 알아보고자 한다. 정상망막에서 TH 면역반응성은 두 종류의 도파민성 무축삭세포의 세포체에 존재하며, 이들의 세포돌기는 속핵층(inner nuclear layer) 가까이의 속얼기층(inner plexiform layer)에 주로 분지하였다. TH 면역반응성 무축삭세포 중 첫 번째 세포는 속얼기층의 1층에 주로 세포돌기와 세포염주(varicosities)를 뻗고 있으며, 이는 원형구조를 형성하며 AII 무축삭세포의 세포체와 연접을 이룬다. 시각신경 절단시 정상망막과 달리 TH로 염색된 세포돌기가 흐트러진 망상구조를 형성하는 것을 볼 수 있었고 원형구조를 형성하는 세포염주가 분열되는 것을 볼 수 있었다. 이상의 결과로 역행하여 이동되는 신경영양인자(neurotrophic factor)는 시각신경이 절단된 망막에서 TH 발현에 영향을 주며, 망막의 도파민성계를 조절할 것으로 생각된다.

Stem Cell Based Strategies for the Treatment of Degenerative Retinal Diseases

박정현,구승엽,조명수,이학섭,최영민,문신용,유형곤,Park, Jung-Hyun,Ku, Seung-Yup,Cho, Myung-Soo,Lee, Hak-Sup,Choi, Young-Min,Moon, Shin-Yong,Yu, Hyeong-Gon The Korean Society for Reproductive Medicine 2010 Clinical and Experimental Reproductive Medicine Vol.37 No.3

망막 질환에서의 줄기세포 치료는 이전까지 치료가 불가능하다고 여겨졌던 환자들에서 시력을 향상시킬 수 있는 가능성 때문에 주목 받고 있다. 본문에서는 망막 전구세포의 분화를 위해 사용되는 태아 줄기세포, 배아줄기세포 및 성체줄기세포 등 다양한 세포 종류와, 내인적, 외인적 인자 및 이식 방법에 대해 논의하였다. 망막색소상피세포뿐만 아니라 시각세포 전구체로 성공적으로 분화시킨 실험적 연구가 보고되고 있다. 줄기세포기반치료는 아직 한계가 있지만 망막 질환 환자에서 시력을 회복하기 위한 보다 근본적인 치료 방법으로 기대되고 있다. Stem-cell therapy has the potential to improve vision in patients with untreatable retinal disease. Various types of cell source including fetal, embryonic and adult stem cells, intrinsic and extrinsic factors for differentiation into retinal progenitors and transplantation mode were discussed in this review. Experimental approaches have successfully induced photoreceptor precursor cells and retinal pigment epithelium. Stem-cell-based therapy is a promising treatment to restore vision in patients with retinal disease, in spite of the challenges.

고양이 뇌 시각피질에 분포하는 Neuropeptide Y 함유신경세포에 대한 면역조직화학적연구

최창도,정영길,최월봉 대한해부학회 1993 Anatomy & Cell Biology Vol.26 No.3

주성분분석을 이용한 토끼 망막 신경절세포의 활동전위 파형 분류

진계환,조현숙,이태수,구용숙 한국의학물리학회 2003 의학물리 Vol.14 No.4

주성분분석은 잘 알려진 데이터 분석 방법으로써 높은 차원의 데이터를 낮은 차원의 데이터로 표현하는데 효과적이어서 얼굴인식, 데이터 압축 등에 이용되고 있다. 주성분분석을 하게 되면 원 데이터의 공분산 행렬로부터 정규직교한 고유벡터와 해당하는 고유치를 얻게 되고 그 중 큰 값을 가지는 고유벡터 들을 선택하여 선형 변환함으로써 데이터의 차원을 줄일 수 있게 된다. 망막에 빛 자극이 인가되면 시세포 층에서 전기신호로 변환된 후 복잡한 신경회로를 거쳐 최종적으로 신경절세포 층에서 활동전위의 형태로 출력되게 된다. 본 연구에서는 다채널전극을 사용하여 여러 개 망막 신경절세포로부터 유래되는 활동전위를 기록한 후 개개의 신호를 구분하는 과정을 거치고, 이어서 그 신호를 만들어 내는 각 뉴론들끼리의 시간적, 공간적 흥분발사 패턴을 이해함으로써 궁극적으로 시각정보 인코딩 기전을 밝히려는 연구 목표하에 그 첫 단계로서 망막 신경절세포의 활동전위를 기록한 후 분류하는 과정을 성공적으로 수행하였기에 그 내용을 서술하고자 한다. 망막에서 기록되는 신경절세포 활동전위는 불규칙하고 확률적이기 때문에 주성분분석을 통하여 그 유형을 분류할 수 있었다. 토끼 눈으로부터 망막을 박리하여 망막조각을 얻은 후 신경절세포 층이 전극표면을 향하도록 전극에 부착하였다. 8${\times}$8의 microelectrode array (MEA)를 전극으로 사용하였고, 증폭기는 MEA 60 system을 사용하여 신경절세포 활동전위를 기록하였다. 활동전위 기록 후 파형 분류를 하였다. 잡음이 섞여있는 기록으로부터 신호를 검출하기 위하여, 잡음역치($\pm$3$\sigma$)를 설정하였다. 역치를 넘는 파형 만을 획득한 후 주성분분석을 통해 각 파형의 첫 번째 주성분, 두 번째 주성분을 계산하여 2차원 평면에 투사함으로써 몇 개의 의미있는 클러스터를 얻었다. 이 클러스터는 곧 각 신경절세포에서 유래되는 파형을 반영하므로 주성분분석을 통하여 망막 신경절세포의 활동전위를 각 세포별로 분류할 수 있음을 확인하였다. The Principal component analysis (PCA) is a well-known data analysis method that is useful in linear feature extraction and data compression. The PCA is a linear transformation that applies an orthogonal rotation to the original data, so as to maximize the retained variance. PCA is a classical technique for obtaining an optimal overall mapping of linearly dependent patterns of correlation between variables (e.g. neurons). PCA provides, in the mean-squared error sense, an optimal linear mapping of the signals which are spread across a group of variables. These signals are concentrated into the first few components, while the noise, i.e. variance which is uncorrelated across variables, is sequestered in the remaining components. PCA has been used extensively to resolve temporal patterns in neurophysiological recordings. Because the retinal signal is stochastic process, PCA can be used to identify the retinal spikes. With excised rabbit eye, retina was isolated. A piece of retina was attached with the ganglion cell side to the surface of the microelectrode array (MEA). The MEA consisted of glass plate with 60 substrate integrated and insulated golden connection lanes terminating in an 8${\times}$8 array (spacing 200 $\mu$m, electrode diameter 30 $\mu$m) in the center of the plate. The MEA 60 system was used for the recording of retinal ganglion cell activity. The action potentials of each channel were sorted by off­line analysis tool. Spikes were detected with a threshold criterion and sorted according to their principal component composition. The first (PC1) and second principal component values (PC2) were calculated using all the waveforms of the each channel and all n time points in the waveform, where several clusters could be separated clearly in two dimension. We verified that PCA-based waveform detection was effective as an initial approach for spike sorting method.

이산 도트 자극에서 시각적 착시를 인식하는 시각 모델

정은화,홍경호,Jung, Eun-Hwa,Hong, Keong-Ho 한국정보처리학회 2003 정보처리학회논문지B Vol.10 No.6

본 논문은 일련의 불연속적인 도트 자극으로부터 시각적 착시현상을 추출하는 신경회로망 모델을 제시한다. 제안된 모델은 시각 정보처리 경로에서 발견되는 시각 세포들의 특성을 근거로 한다. 본 연구는 일련의 이산 도트 자극들이 개별적인 도트들로 인식하지 않고 연속적인 가상의 윤곽으로 인식하는 시각적 착시 현상을 나타내는 생리심리학 실험을 기초로 하여 도트 자극의 시각적 착시를 구현한 것으로서 실험에서는 가상 다각형 형태로 배치된 6에서 10개의 도트자극들을 사용한다. 이 실험 데이터는 Smith & Vos가 생리심리학적 실험에서 다룬 데이터와 유사하다. 제안된 모델은 이산 도트자극으로부터 연속적인 착시 윤곽을 성공적으로 추출한다. This paper proposes a neural network model for extracting optical illusions produced by a sequence of discontinuous dot stimuli. The proposed model is based on visual cell's characters founded by visual information processing path. This study approaches on the basis of physiological observation of the perceptual phenomena that some simple ways of discrete dots are perceived as a continuous virtual contour rather than as separate dots. This paper presents the implementation of the optical illusions from discrete dot stimuli that are composed of virtual polygons from 6 to 10 dots. This experimental data are similar to those of Smith & Vos's physiological experiments. The proposed model shows that it can extract continuous illusion contours from discrete dot stimuli successfully.

Visual Cell : 바이오세포 이미지 빅데이터를 위한 이미지 분석 및 시각적 검색 시스템

박범준,조선화,이수안,신지운,유혁상,김진호 사)한국빅데이터학회 2019 한국빅데이터학회 학회지 Vol.4 No.1

The extracellular matrix, which provides the structural and biochemical support of surrounding cells, is a cell physiological modulator that controls cell division and differentiation. In the bio sector, the company produces Scapold, a three-dimensional support for tissue engineering, and cultivates stem cells in the produced Scapold to be transplanted into animals to assess tissue regeneration. This depends on components such as collagen in the tissue. Therefore, it is very important to identify the inclusion rate and distribution of components in the tissue, and the data are obtained by analyzing the color of the dyed tissue image. The process from image collection to analysis is costly, and the data collected and analyzed are managed in different formats by different research institutions. Therefore, data integration management and analysis results search are not being performed. In this paper, we establish a database that can manage relevant bigdata in an integrated manner, and propose a bio-image integrated management and retrieval system that can be searched based on color, an important analytical measure in this field of study.

시각피질의 특성에 의한 영상 데이터 구성과 인식

조재현(Jae-Hyun Cho) 한국컴퓨터정보학회 2020 한국컴퓨터정보학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1