Ultrastructure of Degenerating Axon Terminals in the Basal Forebrain Nuclei of the Rat following Prefrontal Decortication

Prefrontal cortex is a psychological and metaphysical cortex, which deals with feeling, memory, planning, attention, personality, etc. And it also integrates above-mentioned events with motor control and locomotor activities. Prefrontal cortex works as a highest CNS center, since the above mentioned functions are very important for one's successful life, and further more they are upgraded every moments through memory and learning. Many of these highest functions are supposed to be generated via forebrain basal nuclei (caudate nucleus, fundus striati nucleus, accumbens septi nucleus, septal nucleus, etc.). In this experiment, prefrontal efferent terminals within basal forebrain nuclei were ultrastructurally studied. Spraque Dawley rats, weighing $250{\sim}300g$ each, were anesthetized and their heads were fixed on the stereotaxic apparatus (experimental model, David Kopf Co.). Rats were incised their scalp, perforated a 3mm-wide hole on the right side of skull at the 11mm anterior point from the frontal O point (Ref. 13, Fig. 1), suctioned out the prefrontal cortex including cortex of the frontal pole, with suction instrument. Two days following the operations, small tissue blocks of basal forebrain nuclei were punched out, fixed in 1% glutaraldehyde-1% paraformaldehyde solution followed by 2% osmium tetroxide solutions. Ultrathin sections were stained with 1% borax-toluidin blue solution, and the stained sections were obserbed with an electron microscope. Degenerating axon terminals were found within all the basal forbrain nuclei. Numbers of degenerated terminals were largest in the caudate nucleus, next in order, in the fundus striati nucleus, in the accumbens septi nucleus, and the least in the septal nucleus. Only axospinous terminals were degenerated within the caudate nucleus and the fundus striati nucleus, and they showed the characters of striatal motor control system. Axodendritic and axospinous terminals were degenerated within the accumbens septi nucleus and the lateral septal nucleus, and they showed the characters of visceral limbic system. Prefrontal role in integrating the limbic system with the striatal system, en route basal forebrain nuclei, was discussed.

이마앞겉질을 제거시킨 흰쥐 앞뇌의 바닥핵무리에서 변성축삭종말의 미세구조연구

중추신경계통에서도 최고중추인 이마앞겉질 (prefrontal cortex)은 거의 모든 대뇌겉질과 연결되어 있어서 대뇌겉질 각 부분에 저장된 감각, 운동, 언어... 등 모든 정보를 받을 뿐만 아니라, 앞뇌의 바닥핵들 (basal forebrain nuclei)을 비롯한 많은 신경핵들과도 연결되어 있어서 생체 내부환경과 본능에 관한 정보도 받아드린다. 이들 연결을 통해서 이마앞겉질은 변연계통의 본능, 감정, 기억, 학습기능과 줄무늬체계통의 적절한 표현, 대응, 절차기억, 운동조절기능들을 연계하고 조정한다. 앞뇌의 바닥핵들(꼬리핵 caudate nucleus, 줄무늬체바닥핵 fundus striati nucleus, 중격옆핵 accumbens septi nucleus, 중격핵 septal nucleus)도 역시 변연계통과 줄무늬체계통 사이에서 해부학적으로나 기능적으로도 교차기능이 있는 것으로 알려져 있다. 이 실험은 흰쥐의 이마앞겉질은 제거한 다음, 앞쪽 앞뇌의 바닥핵들에서 변성종말들이 있는지 여부와 그 미세구조를 관찰하려고 시행했다. $250{\sim}300g$된 흰쥐를 실험동물로 이용하였으며, 흰쥐들을 정상군, 대조군, 수술군으로 구분하였다. 수술군은 마취시킨 다음, 뇌수술장치에 고정시키고, 머리피부를 절개한 다음, 이마뼈에 구멍을 만들고, 이 구멍을 통해 이마앞겉질을 흡인하여 제거했다. 대조군은 이마뼈에 구멍을 만드는 과정까지만 실행하였고, 정상군은 아무조치도 취하지 않았다. 수술 후 2일 경과 후에 전자현미경 관찰을 위해 1% glutaraldehyde-1% paraldehyde 혼합액 (pH 7.4)에 1차 고정하였고, 뇌를 적출하여 고정액에 냉장시켰다가, 다음날 해당 신경핵을 적출하여 2차 고정액 (2% osmium tetroxide액)에 고정하였다. Araldite 혼합액에 포매하여 ultratome-V로 자른 절편은 4% uranyl acetate와 2.7% lead citrate로 염색하여 JEM 100CX-II 전자현미경으로 관찰하였다. 관찰결과 네 신경핵에서 모두 변성 축삭종말이 관찰되었는데, 출현비율은 상당한 차이를 보여서 가장 변성이 심한 신경핵은 꼬리핵 이었고, 다음은 줄무늬체바닥핵, 중격옆핵, 중격핵의 순서였다. 변성축삭종말이 각 부위에서 연접하는 모양을 비교한 결과 꼬리핵과 줄무늬체바닥핵에서는 모두 가지돌기가시(dendritic spine)에 연접하였으나, 중격옆핵과 중격핵에서는 가지돌기 (dendrite)에 연접하는 것과 가지돌기가시에 연접하는 것이 혼재하였다. 이들 두 신경핵 무리는 이마앞겉질에서 기원하는 축삭종말의 연접차이로 볼 때 서로 다른 회로계통에 속할 것으로 생각되며, 문헌고찰을 통해서 꼬리핵과 줄무늬체바닥핵은 줄무늬체회로 (striatal circuit)에 속하고 중격옆핵과 중격핵은 변연계통회로(limbic circuit)에 속할 것으로 판정했다. 이마앞겉질은 생리적, 약리적, 신경학적 및 형태학적 근거들로 보아 바닥핵들을 통해 변연계통과 대뇌겉질 전체에 영향을 미칠 것으로 여겨지는데, 본 실험에서는 네 종류의 바닥핵들, 즉 꼬리핵, 줄무늬체바닥핵, 중격옆핵 및 중격핵과 관련된 신경연접들을 관찰하였으며, 그 결과를 문헌 고찰한 결과 변연계통과 줄무늬체계통이 앞뇌의 바닥에 있는 신경핵들에서 형태학적 교차연결을 통해 정서와 마음의 상태를 행동과 대응으로 표현하는 중요한 신경회로가 존재함을 제안하였다.