This study was designed to investigate the microglial reactions to the neurodegenerative changes in the cat retina. All experiments were performed using adult cats of both sex, weighing $2,500g\sim3,500g$. 5,7-DHT $(100{\mu}g)$ dissolved in 0.1% ascorbic acid was injected into the vitreous body. All injections were performed in one-side eye; the other side served as the control, which was injected only with 0.1% ascorbic acid. Cats were sacrificed at 1, 3, 7, 14 and 21 days after intravitreal injection of 5,7-DHT For light microscopy, retinae were fixed with 4% paraformaldehyde and processed using NDPase histochemistry. Same retinae were fixed with 1% para(formaldehyde-2.5% glutaraldehyde and processed for electron microscopy. NDPase-positive microglial cells were mainly distributed in the inner plexiform layer of the retina, and characterized by a small somata with a few slender processes, which were also extended in the ganglion cell layer (GCL) and inner nuclear layer (INL). The intensity of the microglia stained for NDPase was abruptly increased at 7 day as compared with that of the control, and thereafter continuously sustained until 21 day, the last experimental group in this study. Under the electron microscopical observation, microglial cells in the control group exhibited elongate nucleus with perinuclear chromatin condensation, and the perikaryon was scanty. However, a few hypertrophic glial cells were frequently found at 3 days after the drug injection. By 7 day, most microglial cells directed toward the degenerated neurons in the GCL, and the number of microglial cells was slightly increased as compared with the former group. At the 14 day, most microglial cells wrapped the degenerated cells in the GCL, and a few cells showed phagocytotic features. By 21 day, most microglial cells were engaged in phagocytotic activity, and their cytoplasm was filled with the phagorytosed material. Based on the results, 5,7-DHT may act as a specific neurotoxin to the cat retina, and microglial reactions to the neuronal death are already induced in early experimental stage. These results indicate that the microglial cells in the cat retina show characteristic features as a protective effect of neural tissue.
For successful visual perception by visual prosthesis using electrical stimulation, it is essential to develop an effective stimulation strategy based on understanding of retinal ganglion cell (RGC) responses to electrical stimulation. We studied RGC responses to repetitive electrical stimulation pulses to develop a stimulation strategy using stimulation pulse frequency modulation. Retinal patches of photoreceptor-degenerated retinas from rd1 mice were attached to a planar multi-electrode array (MEA) and RGC spike trains responding to electrical stimulation pulse trains with various pulse frequencies were observed. RGC responses were strongly dependent on inter-pulse interval when it was varied from 500 to 10 ms. Although the evoked spikes were suppressed with increasing pulse rate, the number of evoked spikes were >60% of the maximal responses when the inter-pulse intervals exceeded 100 ms. Based on this, we investigated the modulation of evoked RGC firing rates while increasing the pulse frequency from 1 to 10 pulses per second (or Hz) to deduce the optimal pulse frequency range for modulation of RGC response strength. RGC response strength monotonically and linearly increased within the stimulation frequency of 1~9 Hz. The results suggest that the evoked neural activities of RGCs in degenerated retina can be reliably controlled by pulse frequency modulation, and may be used as a stimulation strategy for visual neural prosthesis.
For the reliable transmission of meaningful visual information using prosthetic electrical stimulation, it is required to develop an effective stimulation strategy for the generation of electrical pulse trains based on input visual information. The characteristics of neuronal activities of retinal ganglion cells (RGCs) evoked by electrical stimulation should be understood for this purpose. In this study, for the development of an optimal stimulation strategy for visual prosthesis, we analyzed the neuronal responses of RGCs in rd1 mouse, photoreceptor-degenerated retina of animal model of retinal diseases (retinitis pigmentosa). Based on the in-vitro model of epiretinal prosthesis which consists of planar multielectrode array (MEA) and retinal patch, we recorded and analyzed multiunit RGC activities evoked by amplitude-modulated electrical pulse trains. Two modes of responses were observed. Short-latency responses occurring at 3 ms after the stimulation were estimated to be from direct stimulation of RGCs. Long-latency responses were also observed mainly at 2 - 100 ms after stimulation and showed rhythmic firing with same frequency as the oscillatory background field potential. The long-latency responses could be modulated by pulse amplitude and duration. From the results, we expect that optimal stimulation conditions such as pulse amplitude and pulse duration can be determined for the successful transmission of visual information by electrical stimulation.
The morphological phenotype on ocellus of Drosophila rdgC mutant was observed with electron microscope. The result showed the particular phenotype that was not found in other retinal degenarative mutants. The most distinct difference was the orientation of photoreceptor cells. The photoreceptor cells did not attached to corneagenous cells but dropped under corneagenous cells and assembled around newly formed space. Enormous multivesicle bodies caused by the degeneration of photoreceptor cells were frequently found. Rhabdomeres were also severely degenerated in consequence of the mutant. Another degeneration was found in a part of photoreceptor cell, but the degeneration of subrhabdomeric cisternae (SRC) was not found. It was a ovious difference of rdgC comparing with other two retinal degenerative mutants, rdgA and rdgB. As a result, rdgC mutant was affected on the attachment between photoreceptor cells and corneageneous cells, and it suggested the defect of cell-cell attachment. In addition, rdgC mutant was accompanied by the defect not only in retina but nerve system. The results were agreed to the reference discussion that the rdgC molecule is exist in the nerve.
As part of Korean retinal prosthesis project, we have provided preliminary experimental results regarding voltage parameters for the stimulation of chemically degenerated rabbit retina. Since our APB-treated chemically degenerated retina is only ON-pathway blocked, now we switch our experiments to more appropriate retinal degeneration model, genetically degenerated retina model (RD mouse: rd/rd (C3H/HeJ)). Before studying with RD mouse, we started control experiments with normal SD rat to understand characteristics of retinal ganglion ceil activity with postnatal maturation in rodents. Ganglion cell activities were recorded with 8${\times}$8 multi-electrode array. Moving spontaneous bursts appeared until postnatal day of 15. During pre-eye opening period, no light evoked response appeared. After postnatal day of 2 weeks (post-eye opening period), ON-, OFF- and ON/OFF response appeared. The fractional distributions of ON, OFF, and ON/OFF ganglion cell is about $40\%,\;50\%$, and $5\%$. The percentage ($\%$) of light evoked response in each dorso-temporal, ventral, and dorso-nasal area of eye is about $50\%,\;37.5\%$ and $12.5\%$, respectively. We concluded that the optimal period for experiment in rodent is about postnatal day of 2${\~}$3 weeks.
Ye, Jang-Hee;Ryu, Sang-Baek;Kim, Kyung-Hwan;Goo, Yong-Sook
Progress in Medical Physics
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v.21
no.2
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pp.209-217
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2010
Retinal prostheses are being developed to restore vision for the blind with retinal diseases such as retinitis pigmentosa (RP) or age-related macular degeneration (AMD). Since retinal prostheses depend upon electrical stimulation to control neural activity, optimal stimulation parameters for successful encoding of visual information are one of the most important requirements to enable visual perception. Therefore, in this paper, we focused on retinal ganglion cell (RGC) responses to different voltage stimulation parameters and compared threshold charge densities in normal and rd1 mice. For this purpose, we used in vitro preparation for the retina of normal and rd1 mice on micro-electrode arrays. When the neural network of rd1 mouse retinas is stimulated with voltage-controlled pulses, RGCs in degenerated retina also respond to voltage amplitude or voltage duration modulation as well in wild-type RGCs. But the temporal pattern of RGCs response is very different; in wild-type RGCs, single peak within 100 ms appears while in RGCs in degenerated retina multiple peaks (~4 peaks) with ~10 Hz rhythm within 400 ms appear. The thresholds for electrical activation of RGCs are overall more elevated in rd1 mouse retinas compared to wild-type mouse retinas: The thresholds for activation of RGCs in rd1 mouse retinas were on average two times higher ($70.50{\sim}99.87\;{\mu}C/cm^2$ vs. $37.23{\sim}61.65\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage amplitude modulation and five times higher ($120.5{\sim}170.6\;{\mu}C/cm^2$ vs. $22.69{\sim}37.57\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage duration modulation than those in wild-type mouse retinas. This is compatible with the findings from human studies that the currents required for evoking visual percepts in RP patients is much higher than those needed in healthy individuals. These results will be used as a guideline for optimal stimulation parameters for upcoming Korean-type retinal prosthesis.
Kim, Dae-Jung;Lee, Nam-Sil;Lee, Bae-Ik;Kim, Shin Kwon;Kim, Kyung-Kil
Journal of Life Science
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v.23
no.10
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pp.1288-1294
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2013
Knowledge of morphological changes in eel larvae is very important for artificial rearing of eel larvae. In this study, we investigated the morphological structure of the head region and histological changes of the eye retina in artificially reared larvae at various stages and in glass eel just after metamorphosis. Structural changes were observed in the upper jaw (maxilla) and the lower jaw (mandible) after 100 dah (day after hatchery) and after metamorphosis. Teeth had degenerated by the time of completion of metamorphosis. Major histological changes observed in the eye retina were the formation of the outer plexiform layer and the outer nuclear layer from 100 dah larva and a change in the rod cell layer after metamorphosis. The cornea was not observed at 10 dah in the eel larva. More information is needed on the early developmental stages of eel larvae to enable mass production of glass eels. The results obtained in the present research will be useful when developing novel rearing programs for eel larvae.
Polyunsaturated fatty acids, that is PUFAs, are important constituents of membranes particularly found in the retina and central nervous system. In microorganism-based PUFAs biosynthesis, the genus Thraustochytrids is well evaluated for their potential as a promising candidate in the practical production of PUFAs, such as AA and DHA. In this study, we attempted to optimize a method of total nucleic acid extraction from this microorganism as a preliminary experiment. Using the extracted nucleic acid and degenerated primers for direct PCR, we isolated a $\Delta5$ desaturase gene that contained 1320-nucleotide and encoded 439 amino acids. This gene exhibited an expected function, when expressed in P. pastoris in the presence of appropriate exogenous substrate, as an evidence for $\Delta5$ desaturase activity (conversion of DGLA to AA). These results and information could provide a basis for the construction of engineered strains suitable for the practical production of PUFAs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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