장기증강(LTP) 및 장기억압(LTD)의 유도를 통한 쥐의 치상(dentate gyrus) 부위의 선조세포(progenitor cells)의 증식(proliferation) 및 생존(survival)에 미치는 효과에 관한 연구
Studies on Neurogenesis : Effects of LTP and LTD in the Rat Dentate Gyrus
- 주제(키워드) Hippocampus , neurogenesis , proliferation , LTP , LTD
- 주제(KDC) 513
- 주제(DDC) 616
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 정민환
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 신경과학기술과정
- 본문언어 영어
초록/요약
쥐의 치상 (dentate gyrus) 부위는 포유류의 뇌 부분에서, 성체기에도 새로운 뉴런의 생성 (neurogenesis)이 계속되는 특이한 부분 중의 하나이다. 이러한 새로운 뉴런의 생성에 있어서, 그 기능적인 중요성은 아직 완전히 이해되고 있지 않으나, 학습 (Learning) 및 기억 (memory) 에 있어 그러한 치상에서의 뉴런의 생성의 중요성이 몇 가지 증거들로 인해 보여지고 있는 실정이다. 장기증강 (LTP) 현상이 해마 (hippocampus)의 학습 및 기억의 가장 유력한 기전으로 알려져 있는 점과 관련해서, 이 논문에서는 장기증강과 새로운 뉴런의 생성이 밀접히 관련이 있을 것이라는 가능성을 높이는 증거를 보였다. 여기서, 본 저자는 해마에 있어서 학습 및 기억의 가장 유력한 기전으로 알려져 있는 장기증강을 구심성 신경 경로 (afferent pathway)를 자극하여 유도함으로써, 그러한 장기증강이 치상에서의 전구세포들 (progenitor cells)의 증식 (proliferation)을 향상시킬 수 있는지를 살펴보았다. 뇌의 한쪽 부위에 강직성 자극 (tetanic stimulation)을 가함으로써 장기증강을 유도하였으며, 치상에서의 새로이 생성된 전구세포들의 수를 헤아렸다. 대조구 (LFS-stimulated hemisphere)와 비교해 봤을 때, 장기증강이 유도된 반구의 등쪽 (dorsal) 뿐만 아니라 배쪽 (ventral) 해마부위에서 상당히 높은 수의 새로이 생성된 전구세포들이 관찰되었다. 글루탐산염 수용체 길항제 (NMDA receptor antagonist)인 CPP를 처리하였을때는, 강직성 자극을 가하였음에도 불구하고 장기증강뿐만 아니라 전구세포들의 증식을 향상시키지 못했는데, 이러한 결과들을 통해서 강직성 자극 그 자체에 의해서라기 보다는 글루탐산염 수용체의 활성이 전구세포의 증식을 향상시킴을 알 수 있다. 본 연구에서는 장기증강을 유도하기에 충분한 강직성 자극을 관통부위 (perforant path)에 가함으로써, 글루탐산염 수용체에 의존적인 방식으로 성체의 치상부위에서 전구세포의 증식을 증가시킬 수 있음을 보였다. 또한 장기증강을 유도하고 3주 후에 전구세포들의 생존에 미치는 효과를 관찰하였을 때, 장기증강을 유도한 한쪽 부위에서 저빈도 자극(low-frequency stimulation)을 가한 다른 한쪽 부위와는 달리 상당히 높은 수의 BrdU에 표지된 세포의 수가 관찰됨을 알 수 있었다. 이렇게 증가한 BrdU에 표지된 세포들은 또한 형광 염색을 통한 관찰결과 성숙한 뉴런의 표지로 사용되는 NeuN으로 함께 염색됨을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해서 장기증강의 유도만으로 전구세포의 증식뿐만 아니라 생존을 증가시키는 효과가 있음을 알 수 있다. 장기억압(long-term depression, LTD)은 시냅스의 효능을 약화시키는 것으로 장기증강의 반대 개념으로 알려져 있다. 따라서 본 연구자는 추가 실험을 통해 이러한 장기억압이 장기증강과는 달리 어떠한 영향을 미치는지를 알아보고자 하였다. 장기증강과 달리 뇌의 한쪽 부위에 900 펄스의 저빈도 자극을 가함으로써 장기억압 현상을 유도한 뒤, 염색을 통한 세포의 수적 증가를 관찰한 결과, 선조세포의 증식에 있어서 대조구와 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 장기증강과 달리 장기억압은 짧은 시간 동안의 유도를 통해서는 어떠한 선조세포의 증식에도 그리 큰 영향을 미치지 않음을 볼 수 있었다. 그런 연유로, 조금 더 오랫동안 장기억압의 영향을 미칠 수 있는 선조세포의 생존에 관계하는 효과를 관찰하였고, 현재 많은 수의 데이터를 확보하여 분석을 실행 중이다. 이러한 실험의 결과를 분석을 통해서 매우 흥미로운 점을 발견하였는데, 장기증강을 유도한 부위에서 대조구와는 달리 뚜렷이 증가한 선조세포의 군집이 관찰된다는 것이었다. 이것은 무활동성 줄기세포(quiescent stem cell)가 장기증강에 의해서 활성을 띠게 되어 분열이 가속화 되어 선조세포의 증식이 증가하게 되었음을 시사하는 것이다. 또한 그러한 차이가 장기억압에서는 관찰되지 않았는데, 장기억압은 무활동성 줄기세포가 활성을 띨 수 있을 만큼의 강력한 자극을 이끌어 내지 못하는 이유로 선조세포의 증식에 아무런 영향을 주지 못했을 것이란 추측이 가능하다. 위의 결과들을 종합해서 생각해 볼 때, 장기증강은 선조세포의 증식 및 생존에도 큰 영향을 미치는 반면, 그 반대적인 기능을 가지고 있는 장기억압은 어떤 영향도 미치지 않음을 알 수 있다. 또한 그런 차이가 무활동성 줄기세포를 활성시킴으로써 일어나는 것 또한 추측할 수 있다.
more초록/요약
The dentate gyrus (DG) is among the few areas in the mammalian brain where production of new neurons continues in the adulthood. Although its functional significance is not completely understood, several lines of evidence suggest the role of DG neurogenesis in learning and memory. Considering that long-term potentiation (LTP) is a prime candidate for the process underlying hippocampal learning and memory, these results raise the possibility that LTP and neurogenesis are closely related. Here, I investigated whether or not LTP induction in the afferent pathway triggers enhanced proliferation of progenitor cells in the DG. LTP was induced by tetanic stimulation in perforant path-DG synapses in one hemisphere, and the number of newly generated progenitor (BrdU-labeled) cells in the DG was quantified. Compared with the control hemisphere (stimulated with low-frequency pulses), the LTP-induced hemisphere contained a significantly higher number of newly generated progenitor cells. When CPP, an NMDA receptor antagonist, was administered, tetanic stimulation neither induced LTP nor enhanced progenitor cell proliferation, indicating that NMDA receptor activation, rather than tetanic stimulation per se, is responsible for enhanced progenitor proliferation in the control animal. These results show that tetanic stimulation of perforant path sufficient to induce LTP increases progenitor proliferation in adult DG. In addition, it indicates that progenitor proliferation is affected by an NMDA receptor-dependent manner. Futhermore, I investigated whether LTP triggers survival of proliferating progenitor cells. Through the immunohistochemical staining methods, the effect of survival 3 weeks after LTP induction was investigated. There were also significant enhancements of BrdU-labeled cells in the LTP-induced hemispheres compared to LFS-stimulated. Most of these BrdU-labeled cells were double-labeled with NeuN, a neuronal marker. It indicates that LTP induction can trigger also survival new born cells. Long-term depression (LTD) is the phenomenon of a weakening of synaptic efficacy, and it is the contrary concept with LTP. Therefore, I did more experiments to investigate whether induction of LTD has any effect on proliferation of progenitor cells. LTD was induced by stimulating afferent fibers with low-frequency stimulation (900 pulses), and then the fluorescent staining was performed. There was no significant difference between LTD-induced hemispheres and baseline LFS-stimulated, indicating LTD unlike LTP has no effect on proliferation. It is possible to suggest that LTP may not affect proliferating process in short-term period. Because LTD is the weakening of synaptic efficacy, it doesn’t need any proliferation-related process unlike LTP. From those concepts, I did more experiments to investigate whether LTD induction can trigger survival of new born cells in the long-term period. It is on going now. Through the analysis of those data, it is possible to distinguish the effect of LTP and LTD on neurogenesis. In the analysis of experiment data, I found an interesting result. There was a significant increase of clusters of progenitor cells in the LTP-induced hemispheres compared to LFS-stimulated. It indicates that quiescent stem cells was activated by LTP, and then those cells were accelerated to divide, finally the proliferation of progenitor cells were enhanced. Meanwhile, there was no significant difference in the number of clusters after LTD induction. It is possible to suppose that LTD couldn’t trigger powerful stimulation to make quiescent stem cells to be activated, and then it couldn’t affect enhancement of proliferation of progenitor cells but also number of clusters. In the conclusion, LTP can trigger not only proliferation but survival of progenitor cells, but LTD has no effect on proliferation. It can be concluded that the enhancement of proliferation is due to the activation of quiescent stem cells.
more목차
Ⅰ. INTRODUCTION = 1
1. What is Hippocampus? = 1
2. What is Adult Neurogenesis? = 5
2.1. Adult neurogenesis in the hippocampus = 6
2.2. Adult hippocampal neurogenesis and LTP induction = 8
2.3. Adult hippocampal neurogenesis and LTD induction = 9
Ⅱ. MATERIALS AND METHODS = 11
1. Subjects = 11
2. Materials = 11
3. Surgery = 12
4. BrdU injection and LTP induction = 13
4.1. Study of progenitor cell proliferation by LTP induction = 13
4.1.1. Experiment 1: Multiple BrdU injections = 13
4.1.2. Experiment 2: Single BrdU injection = 14
4.2. Study of progenitor cell survival by LTP induction = 15
5. BrdU injection and LTD induction = 15
5.1. Study of progenitor cell proliferation by LTD induction = 15
5.2. Study of progenitor cell survival by LTP induction = 16
6. Electrophysiological recordings = 16
7. Histology = 17
7.1. The study of LTP on Neurogenesis = 17
7.2. The study of LTD on Neurogenesis = 19
8. Statistical analysis = 20
Ⅲ. RESULTS = 21
Part A. LTP induction in the afferent pathway triggers enhanced proliferation of progenitor cells in the DG = 21
1. Experiment 1: multiple BrdU injections = 21
1.1. LTP-induced hemisphere contained a significantly higher number of newly generated progenitor cells = 21
1.2. When CPP, NMDA receptor antagonist was administered, tetanic stimulation neither induced LTP nor enhanced progenitor cell proliferation = 22
2. Experiment 2: single BrdU injection = 24
Part B. LTP induction triggers enhanced survival of progenitor cells in the DG = 26
Part C. LTD induction didn’t trigger enhancement of progenitor cell proliferation = 27
Part D. LTP expands clusters of proliferating cells but not LTD = 28
Ⅳ. DISCUSSION = 50
Part A. Proliferation of progenitor cells = 50
Part B. Survival of progenitor cells = 57
Part C. LTD effects on proliferation and survival = 60
Part D. The enhancements in LTP group not LTD group are due to the increase of cluster number = 62
Ⅴ. SUMMARY AND CONCLUSION = 65
Ⅵ. BIBLOGRAPHY = 66
국문요약문 = 78
