Although cerebellar Purkinje cells display spontaneous electrical activity in vivo and in slice experiments, the mechanism of the spontaneous activity generation has not been clearly understood. The aim of this study was to investigate whether cerebellar Purkinje cells of postnatal rats generate spontaneous electrical activity without synaptic inputs. Dissociated cerebellar Purkinje cells were used for reducing synaptic inputs in the present study. Cerebellar Purkinje cells with dendrites were dissociated from postnatal rats using enzymatic treatment followed by mechanical trituration. Spontaneous electrical activities were recorded from dissociated cells without any stimulus using whole-cell patch clamp configuration. Two types, spontaneously firing or quiescent, of dissociated Purkinje cells were observed in postnatal rats. Both types of cells were identified as Purkinje cells using immunocytochemical staining technique with anti-calbindin after recording. Spontaneously active cells displayed two patterns of firing, repetitive and burst firings. Two thirds of dissociated Purkinje cells displayed repetitive firing and the rest of them did burst firing under same recording condition. Repetitive firing activities were maintained even after further isolation using either physical or pharmacological techniques. Neither high magnessium solution nor excitatory synaptic blockers, AP-5 and DNQX, block the spontaneous activity. These results demonstrate that spontaneous electrical activity of isolated cerebellar Purkinje cells in postnatal rats is generated by intrinsic membrane properties rather than synaptic inputs.
This study was designed to investigate the effects of nitric oxide on the neuronal activity of rat cerebellar Purkinje cells. Sprague-Dawley rats aged 14 to 16 days were decapitated under ether anesthesia. After treatment with pronase and thermolysin, the dissociated Purkinje cells were transferred into a chamber on an inverted microscope. Spontaneous action potentials and potassium current were recorded by standard patch-clamp techniques under current and voltage-clamp modes respectively. 15 Purkinje cells revealed excitatory responses to $20\;{\mu}M$ of sodium nitroprusside (SNP) and 4 neurons (20%) did not respond to SNP. Whole potassium currents of Purkinje cells were decreased by SNP (n=10). Whole potassium currents of Purkinje cells were also decreased by L-arginine, substrate of nitric oxide (n=10). These experimental results suggest that nitric oxide increases the neuronal activity of Purkinje cells by altering the resting membrane potential and after hyperpolarization.
Park, Min Hee;Lee, Ju Youn;Jeong, Min Seock;Jang, Hyung Sup;Endo, Shogo;Bae, Jae-sung;Jin, Hee Kyung
BMB Reports
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v.51
no.2
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pp.79-84
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2018
Niemann-Pick type C disease (NP-C) is a fatal neurodegenerative disorder caused by a deficiency of NPC1 gene function, which leads to severe neuroinflammation such as astrogliosis. While reports demonstrating neuroinflammation are prevalent in NP-C, information about the onset and progression of cerebellar astrogliosis in this disorder is lacking. Using gene targeting, we generated vascular endothelial growth factor (VEGF) conditional null mutant mice. Deletion of VEGF in cerebellar Purkinje neurons (PNs) led to a significant increase of astrogliosis in the brain of NP-C mice in addition to the loss of PNs, suggesting PN-derived VEGF as an important factor in NP-C pathology. Moreover, replenishment of VEGF in neurons improved brain pathology in NP-C mice. Overall, our data provide a new pathological perspective on cerebellar astrogliosis in NP-C and suggest the importance of VEGF as a therapeutic target for this disease.
Thyroid hormones are important for the development of the brain including the cerebellum. In the present study, we investigated the effect of treadmill exercise on the survival of Purkinje neurons and the activation of astrocytes in the cerebellar vermis of hypothyroidism-induced rat pups. On the day of perinatal 14, pregnant rats were divided into two groups (n = 5 in each group): the pregnant control group and the pregnantmethimazole (MMI)-treated group. For the induction of hypothyroidism in the rat pups, MMI was added to the drinking water (0.02% wt/vol), from the day of perinatal 14 to postnatal 49. After delivery, male rat pups born from the pregnant control group were assigned to the control group. Male rat pups born from the MMI-treated group were divided into the hypothyroidism-induction group, the hypothyroidism-induction with treadmill exercise group, and the hypothyroidism-induction with thyroxine (T4) treatment group (n = 10 in each group). The rat pups in the exercise group were forced to run on a treadmill for 30 min once a day for 4 weeks, starting on postnatal day 22. In the hypothyroidism-induced rat pups, motor coordination was reduced and Purkinje cell death and reactive astrocytes in the cerebellar vermis were increased. Treadmill exercise enhanced motor coordination, increased the survival of Purkinje neurons, down-regulated reactive astrocytes, and enhanced brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and receptor tyrosine kinase B (TrkB) expressions in the hypothyroidism-induced rat pups. These results suggest that treadmill exercise has beneficial effects in terms of protecting against thyroid dysfunction by increasing T3 and T4 and the related protein, BDNF, as well as TrkB, inhibition on astrocyte activation and the reduction of Purkinje cell loss regarding the cerebellum in hypothyroidism rat pups.
Sunmi Yoon;Napissara Boonpraman;Chae Young Kim;Jong-Seok Moon;Sun Shin Yi
BMB Reports
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v.56
no.5
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pp.308-313
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2023
Phenotypic features such as ataxia and loss of motor function, which are characteristics of Parkinson's disease (PD), are expected to be very closely related to cerebellum function. However, few studies have reported the function of the cerebellum. Since the cerebellum, like the cerebrum, is known to undergo functional and morphological changes due to neuroinflammatory processes, elucidating key functional factors that regulate neuroinflammation in the cerebellum can be a beneficial therapeutic approach. Therefore, we employed PD patients and MPTP-induced PD mouse model to find cytokines involved in cerebellar neuroinflammation in PD and to examine changes in cell function by regulating related genes. Along with the establishment of a PD mouse model, abnormal shapes such as arrangement and number of Purkinje cells in the cerebellum were confirmed based on histological finding, consistent with those of cerebellums of PD patients. As a result of proteome profiling for neuroinflammation using PD mouse cerebellar tissues, fetuin-A, a type of cytokine, was found to be significantly reduced in Purkinje cells. To further elucidate the function of fetuin-A, neurons isolated from cerebellums of embryos (E18) were treated with fetuin-A siRNA. We uncovered that not only the population of neuronal cells, but also their morphological appearances were significantly different. In this study, we found a functional gene called fetuin-A in the PD model's cerebellum, which was closely related to the role of cerebellar Purkinje cells of mouse and human PD. In conclusion, morphological abnormalities of Purkinje cells in PD mice and patients have a close relationship with a decrease of fetuin-A, suggesting that diagnosis and treatment of cerebellar functions of PD patients might be possible through regulation of fetuin-A.
Cho Sun-Jung;Jung Jae-Seob;Jin IngNyol;Jung Seung Hyun;Park In Sick;Moon Il Soo
Journal of Life Science
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v.15
no.4
s.71
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pp.607-612
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2005
Heat shock protein 70 (HSP70) is a multigene family composed of constitutively expressed members(Hsc70) and stress-inducible members (Hsp70). In the mammalian nervous system, a considerable amount of HSPs is also synthesized under normal conditions suggesting that they play an important role in the metabolism of unstressed cells. In this study we examined the expression of Hsp70 in the synapses of rat cerebellar neurons. Immunohistochemistry using specific antibodies revealed that both Hsp70 and Hsc70 are expressed in the cerebellar tissue, with strongest expression in Purkinje cells followed by granule cells. Neurons in deep cerebellar nuclei were also intensely stained by Hsp70 antibody. Immunocytochemical stainings of cultured cerebellar cells showed that Hsp70 is expressed in both Purkinje and granule cells. The expression was punctate in the soma and along dendritic trees, and the punctae were colocalized with those of PSD95, a postsynaptic marker. Immunoblotting also indicates that Hsp70 is associated with the postsynaptic density fraction. Taken together, our results indicate that the Hsp70 is expressed in cerebellar neurons in normal conditions, and that some are localized in the synapses.
This study was carried out to investigate the direct neurotoxicity of alcohol on CNS and the effects of piracetam or vitamins on ultrastructural changes of the rat cerebellar and hippocampal neurons during long-term alcohol treatment. To evaluate the results, quantitative analysis were done for light and electronic microscopic findings. On the light microscopy, red degeneration of pyramidal cells and Purkinje cells was found more apparently in the alcohol only treated group than in the control group. On the electron microscopy, increased lipofuscin pigments were found in cerebellum and hippocampus. In quantitative analysis, vitamins significantly reduced red degeneration in both hippocampus and cerebellum. However, piracetam significantly reduced red degeneration in cerebellum but not in hippocampus. Lipofuscin pigments in Purkinje cells and pyramidal cells were significantly reduced in the alcohol with piracetam treated group than the alcohol only treated group. However, vitamins had no significant reducing effect of lipofuscin pigments in Purkinje cells and pyramidal cells. According to the results, it is concluded that vitamins deficiency might cause red degeneration of pyramidal cell after long-term alcohol treatment, but increment of lipofuscin pigments in pyramidal and Purkinje cell may be caused by alcohol itself or its metabolite rather than vitamins deficiency. Piracetam seems to improve cognitive function impairment caused by alcohol consumption.
Journal of International Academy of Physical Therapy Research
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v.1
no.2
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pp.91-98
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2010
This study is intended to examine the motor skill learning and treadmill exercise on motor performance and synaptic plasticity in the cerebellar injured rats by harmaline. Experiment groups were divided into four groups and assigned 15 rats to each group. Group I was a normal control group(induced by saline); Group II was a experimental control group(cerebellar injured by harmaline); Group III was a group of motor skill learning after cerebellar injured by harmaline; Group IV was a group of treadmill exercise after cerebellar injured by harmaline. In motor performance test, the outcome of group II was significantly lower than the group III, IV(especially group III)(p<.001). In histological finding, the experimental groups were destroy of dendrities and nucleus of cerebellar neurons. Group III, IV were decreased in degeneration of cerebellar neurons(especially group III). In immunohistochemistric response of synaptophysin in cerebellar cortex, experimental groups were decreased than group I. Group III's expression of synaptophysin was more increased than group II, IV. In electron microscopy finding, the experimental groups were degenerated of Purkinje cell. These result suggest that improved motor performance by motor skill learning after harmaline induced is associated with dynamically altered expression of synaptophysin in cerebellar cortex and that is related with synaptic plasticity.
Ethanol has long been implicated in triggering apoptotic neurodegeneration. Alcohol also may indirectly harm the fetus by imparing the mother's physiology. We examined the effects of ethanol on immature brain of mice. Three-weeks-old female ICR strain mice daily intraperitoneally injected with ethanol at the concentration of 4 and 20% in saline for 0, 6, and 24 hours and 1 and 4 weeks. The mice were weighted and sacrificed, and the brains were ectomized for the present histological, immunohistochemical and TUNEL assays. Based on the histologic hematoxylin and eosin stain, immunohistochemical expression of glutamate receptor protein and neuronal cell adhesion molecule (NCAM) were evaluated. The cerebral cortex of the ethanol-treated group showed few typical symptoms of apoptosis such as chromosome condensation and disintegration of the cell bodies. TUNEL staining revealed DNA fragmentation in the 6 and 24 hours. This results demonstrated that acute ethanol administration causes neuronal cell death. I found that either glutamate receptor inhibition or activation could induce cerebellar degeneration as ethanol effect. Neuronal death also can be induced by excess activity of certain neurotransmitter, including glutamate. Neurons must establish cell-to-cell contact during growth and development in order to survive, migrate to their final destination, and develop appropriate connections with neighboring cell. Purkinje cell in cerebellar are especially vulnerable to the cell death and degeneration. After ethanol treatment in cerebellar, NCAM had decreased by 4 weeks. This result suggest that apoptosis seems to be involved in the slow elimination of neuron and cerebellar degeneration.
Jeong, Jin Kwon;Kim, Han Rae;Hwang, Seong Mun;Park, Jeong Woo;Lee, Byung Ju
Molecules and Cells
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v.26
no.2
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pp.186-192
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2008
NELL2, a neural tissue-enriched protein, is produced in the embryo, and postembryonically in the mammalian brain, with a broad distribution. Although its synthesis is required for neuronal differentiation in chicks, not much is known about its function in the adult mammalian brain. We investigated the distribution of NELL2 in various regions of the adult rat brain to study its potential functions in brain physiology. Consistent with previous reports, NELL2-immunoreactivity (ir) was found in the cytoplasm of neurons, but not in glial fibrillary acidic protein (GFAP)-positive glial cells. The highest levels of NELL2 were detected in the hippocampus and the cerebellum. Interestingly, in the cerebellar cortex NELL2 was observed only in the GABAergic Purkinje cells not in the excitatory granular cells. In contrast, it was found mainly in the hippocampal dentate gyrus and pyramidal cell layer that contains mainly glutamatergic neurons. In the dentate gyrus, NELL2 was not detected in the GFAP-positive neural precursor cells, but was generally present in mature neurons of the subgranular zone, suggesting a role in this region restricted to mature neurons.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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