Estimation of Number of Synapses on a Neuron in the Brain Using Physical Bisector Method

The number and structure of synapses are dynamically changed in response to diverse physiological and pathological conditions. Since strength of synaptic transmission is closely related to the synaptic density on a neuron, both synaptogenesis and synapse loss may play important roles in controlling neuronal activity. Thus it is essential to estimate the number of synapses using an accurate quantitative method for better understanding of the numerical alteration of synapses under terrain experimental conditions. We applied physical disector principle to estimating the number of synapses per neuron in the dentate gyrus of adult mice. First, we measured the numerical density of granule cells using the physical disector principle. Second, the density of medial perforant path to granule cell synapses was estimated using the bidirectional physical disector. Then, the volume ratio of molecular layer to granule cell layer was measured. With these numerial values, we successfully calculated the number of synapses per neuron. Individual granule cells have approximately 6500 synapses in the dentate gyrus of adult mice $(6,545{\pm}330)$, which are comparable to those of other researchers. Our results showed that the estimation of synapse numbers per neuron using the physical disector principle would provide accurate and precise information on the numerical alteration of synapses in diverse physiological and pathological conditions. Following analyses of synapse numbers using this method will contribute to the better understanding of structural synaptic plasticity in a variety of experimental animal models.

Physical disector를 이용한 신경세포 및 신경연접 수의 측정

신경연접은 다양한 생리적 또는 병적 상태에 반응하여 구조 및 수적 변화를 보이며, 신경연접의 밀도 변화는 신경세포의 활성 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 특정 생리적 또는 병적 상태에서 신경연접의 밀도 변화를 명확히 이해하기 위해서는 정확한 정량방법을 이용한 밀도 측정이 필수적이다. 본 연구에서는 physical disector법을 이용하여 흰쥐 뇌의 치아이랑에 위치하는 과립신경세포의 신경연접 수를 측정하였으며, 이를 통해 physical disector의 방법적 정확성을 확인하고자 하였다. 성체 흰쥐를 관류고정한 후 치아이랑의 연속 절편을 얻어 통상적인 전자현미경 시료제작법을 통해 Epon 혼합용액에 포매하였다. Physical disector법을 이용한 밀도 분석 시 연속절편의 정렬, 비교 및 disector frame이 필요하므로 Reconstruct 프로그램을 사용하였다. 동물 당 40장의 $1{\mu}m$ 연속절편을 제작하여 과립신경세포체의 밀도를 측정하였으며, 15장의 80nm연속절편으로부터 bidirectional disector법을 이용하여 과립신경세포와 내측 관통로(medial perforant path) 간 신경 연접의 밀도를 분석하였다. 과립신경세포의 세포체와 신경연접은 각각 과립층과 분자층에 위치하기 때문에 하나의 신경세포가 가지는 신경연접의 수를 측정하기 위해서는 각 층의 부피를 고려하는 것이 요구된다. 따라서 과립층에 대한 분자층의 부피비율을 측정하였다. 실험결과, 흰쥐 치아이랑에 위치하는 하나의 과립세포당 약 6,500개의 신경연접의 존재한다는 사실을 확인하였으며, 이는 다른 연구자들의 결과와 유사하였다. 본 연구로부터 physical disector법은 특정 생리적 또는 병적 조건에서 나타나는 신경세포 및 신경연접의 수적 변화를 정확히 측정할 수 있는 유용한 정량방법임을 알 수 있었다. 향후 physical disector법을 이용하여 다양한 실험동물모델의 신경연접 변화를 분석하는 것은 신경연접의 형태적 가소성을 이해하는데 이바지할 것으로 생각된다.