• 전자공학회논문지
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• 제53권7호
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• pp.110-120
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• 2016

인체 삽입형 뇌 신경자극기는 소비전력에 있어서 효율적인 구조로 설계되어야 한다. 이들 자극신호는 파형이 단순하고, MCU(micro controller unit)의 대기시간은 실행시간보다 훨씬 긴 특성을 가짐에도 불구하고, 이러한 특성을 고려한 저전력 설계가 되어 있지 않다. 본 논문에서는 자극신호 특성에 기반하는 저전력 알고리즘을 제안한다. 또한 뇌 신경자극기 S/W, NMS(neuro modulation simulation)의 설계 및 구현 결과도 제시한다. 저전력 알고리즘 구현을 위해, 기존 뇌 신경자극기 프로그램의 함수별 수행(running) 시간을 분석하여, 실행(execution) 시간과 대기(waiting) 시간을 도출하였다. 그리고 AM-LPM(active mode-low power mode) 전환시간을 추정하여 저전력 알고리즘 구현에 반영하였다. 본 논문에서 제안하는 저전력 알고리즘은 자극신호의 특성을 이용하여 출력을 다수의 구간으로 분할하고, MCU를 구간별 AM 또는 LPM으로 운용한다. 제안하는 알고리즘의 검증을 위해, 외부 제어프로그램을 개발하여 알고리즘의 동작상태를 확인하였고, 오실로스코프를 이용하여 출력신호의 정확성을 확인하였다. 검증 결과, 제안하는 저전력 알고리즘을 적용할 경우, 기존 뇌 신경자극기 대비 소모전류를 76.31% 감소시킴을 확인 할 수 있었다.

• 인지과학
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• 제33권1호
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• pp.51-75
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• 2022

경두개 직류전기자극(transcranial Direct Current Stimulation; tDCS)은 지각, 인지, 운동 등의 뇌기능 향상 및 발달 효과가 입증되며, 다양한 분야에서 활용 및 응용되는 비침습적 뇌자극술이다. tDCS 효과는 뇌의 해부학적 구조, 뇌의 노화 정도 등의 뇌신경활성화 특징에 따라 다르게 나타난다는 연구결과들이 보고되고 있다. 일주기 리듬(circadian rhythm)은 대략 하루 주기의 수면과 각성의 생리적 변화패턴을 의미하며 뇌신경활성화 상태는 일주기 리듬에 따라 다르게 나타난다. 일주기 유형(chronotype)은 하루 중에 발현되는 각성도의 크기에 따라 아침의 각성도가 큰 유형은 아침형으로 저녁의 각성도가 큰 유형은 저녁형으로 나누어진다. 본 연구는 일주기 리듬에 의해 변하는 뇌기능 특징이 tDCS 효과에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 총 20명의 건강한 성인 대상으로 실험을 진행하였고, 참가자들은 일주기 유형을 분류하기 위해 아침형-저녁형 설문지에 의해 주간형(아침형, 중간형)과 야간형(저녁형)으로 분류했다. 본 실험은 Zoom 프로그램을 이용하여 참가자와 실험자가 온라인으로 만나서 실험을 진행했다. 실험이 확정된 참가자는 실험자로부터 뇌파 기기, 뇌파 데이터를 획득하는 앱이 있는 핸드폰, 핸드폰 거치대, 뇌자극 기기의 사용방법에 대한 설명을 듣고 기기를 테스트해보고 기기를 전달받았다. 기기사용의 어려움을 가진 2명의 참가자는 대면 실험을 진행하여, 실험자가 기기작동을 하여 실험에 참여했다. 일주기 리듬의 상태에 따른 뇌자극 효과를 알아보기 위해 1주일 간격으로 아침과 저녁에 실험했으며, tDCS 자극 전과 후의 신경활성화 반응의 차이를 뇌파를 이용하여 측정하였다. 뇌자극에 의한 뇌기능 변화를 확인하기 위해 자극 전의 뇌파와 자극 후 뇌파가 다른 패턴을 보이며 분류가 잘되는 지를 예측 정확도로 분석했으며, 뇌기능 특징 변화가 일주기 리듬과 일주기 유형에 따라 다르게 나타나는지 확인하기 위해 각 조건의 분류조건(아침/저녁, 주간형/야간형)에서 추출된 주요 EEG 특성을 비교했다. 54개의 뇌파 특성값을 추출하여 SVM(Support Vector Machine) 기계학습 알고리즘으로 분류 모델을 구축하였고, 구축된 모델을 Leave-One-Out 교차검증(Leave-One-Out Cross-Validation)을 사용하여 자극 전과 후의 뇌파 반응을 예측하는지 평가하였고, 분류예측모델의 주요 예측 인자를 확인하는 주요 특성 분석을 진행하였다. 아침과 저녁의 tDCS에 따른 뇌파 특징을 분류하는 예측 정확도는 모두 98%로 나타났으며, 주간형의 아침 자극 조건과 저녁 자극 조건의 예측 정확도는 92%와 96%이며, 야간형의 아침자극 조건과 저녁 자극 조건의 예측 정확도는 모두 94%로 나타났다. 아침 자극 전과 후의 뇌파를 분류하는 상위 3개의 주요 EEG 특성결과는 주간형과 야간형에 따라 다르게 나타났다. 주간형은 좌측 측두 두정엽과 전전두엽의 뇌파 특성값이 나타났으며, 야간형은 측두 두정엽의 뇌파 특성값들만 나타났다. 저녁 자극전과 후의 뇌파를 분류하는 상위 3개의 주요 EEG 특성 결과 또한 주간형과 야간형에 따라 다르게 나타났다. 주간형은 우측 측두 두정엽과 좌측 전두엽의 뇌파 특성값이 나타났으며, 야간형은 측두 두정엽과 전두엽의 뇌파 특성값이 나타났다. 이와 같은 연구결과는 일주기 리듬과 유형에 따라 아침과 저녁의 뇌기능 특징이 다르게 나타나서 뇌자극 효과가 다르게 나타날 수 있음을 확인한 결과이다. 본 연구의 결과는 효과적인 뇌자극을 위해 개인의 뇌신경 활성화 상태 및 특징에 따라서 뇌자극 프로토콜을 조정할 필요성을 제시한다는 데에 의의를 찾을 수 있다.

• Investigative Magnetic Resonance Imaging
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• 제9권1호
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• pp.30-35
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• 2005

목적 : 본 논문은 뇌 기능 자기공명영상(Brain Functional Magnetic Resonance Imaging: Brain fMRI)을 이용하여 짠 맛 자극에 대한 인지활동으로 뇌 신경세포의 활성화에 따른 국소 대사 및 혈류역학적 변화가 일어나는 뇌 영역을 분석 및 가시화함으로써 맛에 대한 뇌 활성화 부위의 기초자료를 마련하고자 하였다. 대상 및 방법 : 건강한 비흡연 남자 12명을 대상으로 1.5T MRI 장치에서 혈액산소수준의존(Blood Oxygen Level Dependent, 이하 BOLD) 방법을 이용한 fMRI 실험을 수행하여 인간의 미각 중 짠맛에 대한 반응을 관찰하였다. 잔 맛의 자극은 $3\%$ 농도의 소금물(NaCl)을 미각 자극기를 이용하여 혀 전체에 자극을 주었다. 미각 자극기인 Auto Syringe Pump는 일정한 자극을 반복적으로 가할 수 있도록 마이크로프로세서를 이용하여 연구실에서 자체 제작되었다. 자극의 패러다임은 5회의 휴식기간과 4회의 자극기간으로 구성되었으며, 자극기간은 15초씩 진행되고 휴식기간은 30초로 하여 각 slice당 42 영상을 연속적으로 획득하였다. 자극에 대해 얻은 fMRI 영상은 SPM99'(Statistical Parametric Mapping, UCL)를 이용하여 분석하였다. 활성화 영상은 EPI 영상과 동일한 부위의 T1 강조영상에 registration 기법을 이용하여 overlapping시켜 활성화 부위의 해부학적 판별을 용이하도록 하였다. 결과 : 농도 $3\%$ 소금물의 짠맛 자극에 대해서 insula, amygdala, frontal opercular taste cortex (OFC), orbitofrontal cortex 영역에서 활성화 영역을 fMRI로 확인하였으며, dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) 영역에서도 유효한 신호를 관찰하였다. 결론 : 본 연구의 결과는 미각의 주요 신경이 뇌의 insula, OFC 그리고 DLPFC 영역에 주로 분포한다는 기존의 결과와 잘 일치하고 있다. 마이크로 프로세서로 동작하는 자동펌프를 미각 자극기로 사용함으로써 미각자극에 대한 뇌의 활성화 영역을 안정되게 관찰할 수 있었다. 본 연구의 결과는 fMRI를 이용한 고차원적 미각작용 과정 연구에 튼튼한 밑거름이 될 것으로 생각된다.

• Clinical and Experimental Pediatrics
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• 제49권5호
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• pp.558-564
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• 2006

목 적 : 경뇌 전자기 자극법은 변조 자기장을 이용하여 뇌세포에 대한 직접적인 영향을 주지 않으면서 중추 신경계를 자극할 수 있는 비침습적인 방법이다. 이전의 연구들은 대부분 생체 동물을 대상으로 수행되어져 왔으며 배양 조직에서의 연구는 별로 이루어진 바 없다. 이에 본 연구에서는 배양된 해마 절편에서 다른 주파수의 전자기 자극이 신경원에 미치는 영향과 약물에 의한 세포 손상 후 전자기 자극의 세포보호효과 여부에 대해 알아보고자 하였다. 방 법 : 생후 8일된 실험쥐의 대뇌를 적출하여 dissection microscope 하에서 양쪽 해마 부위를 분리하고 tissue chopper를 이용하여 $450{\mu}M$ 두께로 절편을 만든 후 Stoppini가 고안한 방법대로 배양을 시행하였다. 각각 5개의 건강한 해마 절편이 포함된 inserts를 선택하고, 전자기 자극군에 대해 0.67 Hz와 50 Hz의 주파수로 각각 배양 5일부터 3일 간격으로 6차례 전자기 자극을 가하였다. 또한, 배양 제 14일에 inserts 2개에 $100{\mu}M$ NMDA에 노출시키고 3일 후부터 3일 간격으로 insert 1개에 전자기 자극을 3차례 시행하였고 다른 1개의 insert와 대조군에는 자극을 가하지 않았다. 결 과 : 전자기 자극 후 신경원의 활성도를 알아보기 위해 NeuN 단백 발현을 western blotting을 이용하여 측정한 후 ${\beta}$-actin 단백 발현과의 비를 얻어 각 군에서 비교 분석하였다. 대조군($1.01{\pm}0.27$)에 비해 전자기 자극군에서 NeuN의 발현이 증가되어 있었으며, 특히 저주파 자극군($1.12{\pm}0.14$)에서보다 고주파 자극군($1.27{\pm}0.17$)에서 현저하였고 고주파 자극군에서는 대조군에 비해 통계적으로 유의한 증가를 보였다(P<0.05). 또한, NMDA 노출 후 실험군(전자기 자극군 : $1.15{\pm}0.27$, 전자기 비자극군 : $0.92{\pm}0.09$)에서 대조군($1.26{\pm}0.04$)에 비해 NeuN 발현이 감소되었으나 전자기 비자극군에서 더 많이 감소한 것을 알 수 있었다. 결 론 : 배양된 해마조직의 신경세포에 대한 전자기 자극은 저주파 자극군에 비해 고주파 자극군에서 대조군보다 통계적으로 유의한 수준의 NeuN 발현의 증가를 관찰할 수 있었고, NMDA 노출 후 전자기 자극을 가한 군에서 대조군보다 NeuN 발현 감소가 관찰되기는 하였으나 고주파 자극군에서는 통계적으로 유의하지 않은 정도였던 것으로 보아 전자기 자극이 신경원 활성을 증가시켜 신경세포의 발생 및 증식을 유도하며 세포 손상에 대한 신경보호효과도 보인다는 것을 알 수 있었다. 따라서 전자기 자극은 여러 신경 질환에 있어서 치료적 역할을 할 수 있는 가능성이 있다고 사료된다.

• 대한자기공명의과학회:학술대회논문집
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• 대한자기공명의과학회 2003년도 제8차 학술대회 초록집
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• pp.94-94
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• 2003

목적： 기능적 자기공명영상과 확산텐서영상기법을 이용하여 전음성 난청과 감각신경성 난청에서의 뇌활성화 양상 그리고 청신경경로상의 차이점을 비교 연구하고자 하였다. 대상 및 방법： 전음성 난청군 (n=4)과 감각신경성 난청군(n=5) 그리고 정상군(n=5)에서의 기능적 자기 공명영상과 확산텐서영상을 획득하였다. 기능적 자기공명영상의 경우 1.5T Siemens MR scanner에서 BOLD 기법을 이용하여 500 Hz 순음 청각자극에 대한 뇌활성화 영역을 검출하였고 영상촬영시 발생하는 기계적 소음을 차폐하기 위한 청각자극기를 특별히 제작하여 사용하였다. 뇌백질신경로를 영상화하는 확산텐서영상은 3.0T GE whole body MR scanner를 사용하였으며 미세한 확산운동을 검출하기 위해 초고속 영상기법인 EPI 기법을 사용하였다. 영상의 화질을 높이기 위해 공간적으로 25개의 다른 방향으로 확산경사자장을 가하였다. 청신경로의 비등방성 영상, 신경로 방향 영상등을 구현하기 위해 획득한 확산영상들에 대한 영상 후처리과정을 시행하였다.

• 한국동물학회지
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• 제37권2호
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• pp.161-173
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• 1994

면역효소법을 이용하여 3종의 한국산 개구리 참개구리(Rono nigromaculuto), 옴개구리(R. rugosa), 북방산개구리(R. 겨대bowskii)의 뇌에서 GnRH 뉴우런의 분포 부위와 GnRH의 종류 등을 연구하였다. 1차 항체로는 anti-rat GnRH, anti-salmon GnRH anti-chicken 11 GnRH 항체를 사용하였다. 3종의 개구리에서 mGnRH cGnRH 11와 sGnRH가 이둔 동정되었으나 3가지 항체에 대한 각 종의 면역 반응성은 종에 따라 달리 나타났다 mGnRH는 옴개구리와 참개구리에서, sGnRH는 북방산개구리에서 강한 면역 반응을 나타냈으며 cGnRH 11는 3종의 개구리에서 중간 정도의 면역 반응을 나타냈다. 각각의 GnRH의 상대적인 양에는 차이가 있으나 일부 경우를 제외하고는 뇌의 동일한 지역에 분포하였다. 참개구리에서는 GnRH가 중격 내측핵(NMS), Broca band 핵(NDB)에 집단으로 분포하였다. 북방산개구리에서는 GnRH가 중격 내측핵, Broca bnad 핵에서 등쪽에서 배쪽으로 길게 선상으로 가장 협소하게 분포하였으며, 번식기와 직전(1월-3월)에만 면역 반응을 나타냈다. 옴개구리의 뇌에서 가장 광범위한 지역, 즉 종뇌의 중격 내측핵, Broca band 핵, 아래 교차 지역(SCA)과 간뇌에 GnRH 신경세포가 분포하였으며. 제3뇌실 맥락얼기에서 mGnRH 신경세포가 처음으로 동정되었다. 3종에서 공통적으로 중격 내측핵과 Broca band 핵에서 유래한 신경섬유는 복측 시상하부를 거쳐 정중융기에 이르렀다. 이러한 결과는 GnRH가 뇌하수체에서 생식소 자극 호르몬의 분비 조절에 밀접한 관계가 있음을 뜻한다.

• 한국전문물리치료학회지
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• 제8권4호
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• pp.91-99
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• 2001

뇌 손상 후 급성기에 기능의 자발적인 회복이 일어나지만 환자들은 환측의 상지를 잘 사용하지 못하게 된다. 그 결과 원하는 움직임을 억제하는 상황을 발생시키는데 이것을 학습 무사용 증후군(learned nonu se syndrome)이라 한다. 이러한 학습 무사용 증후군을 치료하기 위해 억제-유도 치료(constraint-induced therapy)가 고안되었다. 억제-유도 치료는 연속되는 몇 주간에 걸쳐 매일 많은 시간 동안 건측의 상지를 묶어두고 환측 상지를 사용하게 하여 기능을 반복 학습하게 함으로써 기능을 증진시키는 방법이다. 이미 여러 연구자들이 경두개 자기자극(transcranial magnetic stimulation), 움직임 관련 피질전위(movement-related cortical potential), 기능적 자기공명 영상기법(functional magnetic resonance imaging) 등을 통하여 억제-유도 치료 후 운동피질영역에서의 재조직화를 보고함으로써 기능 증진과 관련된 회복 기전을 뒷받침하고 있다. 억제-유도 치료의 영역은 확대되어 뇌졸중, 척수손상, 고관절 치환술 후로 하지에서의 기능증진을 위하여 연구가 진행되고 있으며 특히 뇌졸중 후 실어증 환자에서 새로운 방법으로 제시되고 있다. 따라서, 억제-유도 치료는 신경학적인 손상 후 움직임의 재활에 있어서 치료-유도를 통한 중추신경계의 회복에 효과적으로 작용할 수 있다.

• 한국응용약물학회:학술대회논문집
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• 한국응용약물학회 1995년도 춘계학술대회
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• pp.95-95
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• 1995

뇌신경 변성 / 퇴행과 관련된 중요한 병인론 중의 하나는 변성 과정에서 형성된 유리기(free radical)로 인한 항산화계의 평형 소실로 알려져 있다. Aspalatone (APT)의 예상되는 항산화 효능을 검정하기 위하여 본 실험에서는 Kainic acid (KA) 유발 뇌변성 모델을 적용하였다. KA 모델은 변연계의 간질성 경련과 신경세포 변성에 대하여 재현성 있는 병변 모델을 제공해 주며, 이와 같은 신경세포의 병독 기전에 산소 유리기가 관여함이 강력히 시사되고 있기 때문이다. KA 투여로 인하여 지속적이고도 전형적인 간질성 경련이 관찰되고 1일 이내에 높은 치사율을 보였으나 APT으로 인하여 그 간질성 경련 행위와 비율이 억제되고 KA 유발 치사율도 억제되었다. 최종 KA 투여 3일 후에 얻어진 흰쥐 해마 및 대뇌 피질에서 항산화 효소인 Superoxide dismutase (SOD), Catalase (Cat.), Glutathione peroxidase (GSH-PX) 및 과산화지질의 지표인 Malondialdehyde (MDA)를 검정하였다. 대조군에 비하여 KA는 뇌조직의 SOD-1을 유도하였으나, Cat.와 GSH-PX의 활성은 현저히 유도되지 않았고, 반면에 MDA 치는 현저히 증가하였다. 즉, Cat., GSH-PX와 같은 $H_2O$$_2$중화제가 동반 유도하지 않는 SOD의 유도는 세포내 축적되는 $H_2O$$_2$로 인하여 Fenton/Haber-Weiss 반응을 가속화하여 과산화지질화를 촉진함을 시사한다. APT 병용 투여로 SOD는 현저히 유도되지 않았으나 특히 Cat.가 현저히 유도되어지고 MDA는 억제되었다. 이와 같은 생화학적인 결과는 다음의 형태학적인 소견과 일치한다. Fos 관련 항원 (FRA)와 SOD-1을 면역세포화학 (Immunocytochemistry)적 방법으로 이중 표식 (double-labelling) 하였다. FRA는 KA로 인한 신경세포의 자극에 대한 지표로 응용하였고, SOD-1은 퇴행성 뇌질환에서 산화적 손상의 지표로 사용하였다. KA 투여로 해마의 dentate gyrus (DG) 내에 강한 면역환성 (immunoreactivity)이 나타났고 pyramidal cell layer (PCL)와 glia에 SOD-1이 강하게 염색되었다. APT 병용 투여로 상당수의 경련이 일어나지 않은 흰쥐는 해마의 DG에 FRA가 경미하게 염색되었고, PCL에 SOD-1도 경미하게 나타났으나, 경련이 나타난 쥐에서는 KA만을 투여한 흰쥐와 구별되지 않았다. 이상의 APT의 항산화 효과는 KA로 인한 뇌세포 변성 개선에 중요한 인자로 작용할 것으로 사료되나, 보다 명확한 APT의 기전을 검색하고 직접 임상에 응응하기 위하여는 보다 다양한 실험 조건이 보완되어야 찰 것으로 생각된다.

• Journal of the Korean Academy of Child and Adolescent Psychiatry
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• 제14권1호
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• pp.3-11
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• 2003

주의력결핍/과잉행동장애는 소아 청소년기의 가장 흔한 정신 장애이다. 이 장애의 기본 증상 및 이차 증상으로 인하여 본 장애를 가진 아동들은 학교 생활의 어려움, 학업성취도의 저하, 가족이나 친구관계 등 대인관계의 문제를 보이며, 장애가 적절하게 치료되지 않으면, 우울증과 같은 이차적인 정신장애로 발전하기도 하며, 물질남용, 행동장애, 반사회적 인격장애 등과 같은 장애와도 연관되어 있다. 현재까지 주의력결핍/과잉행동장애 치료로 가장 선호되는 것은 메칠페니데이트나 암페타민 등의 중추신경자 극제이다. 이들 약제의 작용기전은 여전히 불분명한 부분도 있으나, 대체적으로 뇌에서 도파민 등의 카테콜아민 농도를 증가시켜서 시냅스 효율을 높히는 것으로 알려져 있다. 효과 측면에서도 정신약물학 분야에서 본 중추신경자극제에 의한 주의력결핍/과잉행동장애의 치료는 정신질환의 어떤 치료법보다도 효과적이다. 지금까지 중추신경자극제의 최대 단점은 짧은 작용시간으로 인하여 하루에도 여러 차례 복용을 해야 한다는 것이다. 이로 인하여 본 약제를 복용하는 아동들은 동료로 부터 문제아로 낙인이 찍힐 가능성이 높으며, 낮은 약물 순응도, 사회적 편견 등에 노출될 가능성이 높았다. 이로 인하여 중추신경자극제의 장기 제형 개발은 꾸준히 시도되었고, 최근에는 본 장애의 병태생리에 대한 새로운 연구결과를 반영한 보다 진보된 형태의 장기 작용형 중추신경자극제가 등장하였다. 본 고찰에서는 이들 제형들의 특징을 소개하였다. 이들 새로운 제형의 중추신경자극제들은 주의력결핍/과잉행동장애를 가진 아동 뿐만 아니라 장애아의 부모나 학교 교사에도 큰 도움을 줄 것으로 기대한다.

• 한국수산과학회지
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• 제28권4호
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• pp.383-391
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• 1995

출산 전후의 황점볼락 및 조피볼락 어미의 뇌 조직에서 GtH 분비를 자극하는 신경호르몬으로 알려진 NPY를 검출하기 위해, 면역조직화학을 실시하고 뇌하수체내 GtH 분비세포의 활성을 서로 비교하였다. 두 어종 모두에서 뇌 조직중 NPY 양성반응을 나타내는 세포는 후각망울, 종뇌 및 중뇌에서, 신경섬유는 후각망울, 종뇌, 시각신경, 시상하부, 중뇌 및 시각엽에서 각각 관찰되었다. 뇌하수체내에서 NPY 양성반응을 나타내는 신경섬유는 성숙에 관계없이 두 어종 모두 앞원위부분의 AF 음성세포에 인접한 신경엽에 분포하였고, 성장 및 성숙기의 난모세포를 가진 어체에서는 앞원위부분의 신경엽과 중간원위부분의 GtH 분비세포에 인접한 신경엽에서 관찰되었다. 뇌하수체내의 GtH 분비세포는 출산전의 황점볼락 및 성숙기의 조피볼락 개체에서는 AF 염색성이 약했으나, 출산후 황점볼락 및 조피볼락의 GtH 분비세포는 출산전 및 성숙기에 비해 AF 염색성이 증가하였다. 두 어종에서 출산전 난소를 가진 개체들의 GtH 분비세포와 핵경의 크기는 출산후(황점볼락)이거나 출산 이후 휴지기의 난소를 가진 개체(조피볼락) 보다 유의하게 컸다(P<0.01).