Synchronization of unidirectional identical FitzHugh-Nagumo systems coupled in a ring structure under ionic and external electrical stimulations is investigated. In this network, each neuron is only connected and transmit signals to its next neuron via synaptic strength called gapjunctions. Adaptive control theory and Lyapunov stability theory are used to propose a unique control scheme with necessary and sufficient conditions which guarantee the synchronization of the neuronal network. Finally, the effectiveness of the proposed scheme is shown through numerical simulations.
The electrical neuronal model described in this paper simulates the most important functional properties of nerve cells. An model circuit incorporating many of the digital and analog properties of neurons is described. Having such properties as variable threshold level, action potential, summation, all-or-none output, absolute and relative refract oriness, and ingibition, it exhibits a considerable amount of functional equivalence to biological structures. This electrical neuronal model has utility not only for studying single unit properties but also for investigating group interactions. Such studies may be relevent to elucidation of neuronal network behavior.
Kim, Dongyoon;Kim, Seong-Min;Kang, Donghee;Baek, Goeun;Yoon, Myung-Han
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.277.2-277.2
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2013
Petri dishes and glass slides have been widely used as general substrates for in vitro mammalian cell cultures due to their culture viability, optical transparency, experimental convenience, and relatively low cost. Despite the aforementioned benefit, however, the flat two-dimensional substrates exhibit limited capability in terms of realistically mimicking cellular polarization, intercellular interaction, and differentiation in the non-physiological culture environment. Here, we report a protocol of culturing embryonic rat hippocampal neurons on the electro-spun polymeric network and the results from examination of neuronal cell behavior and network formation on this culture platform. A combinatorial method of laser-scanning confocal fluorescence microscopy and live-cell imaging technique was employed to track axonal outgrowth and synaptic connectivity of the neuronal cells deposited on this model culture environment. The present microfiber-based scaffold supports the prolonged viability of three-dimensionally-formed neuronal networks and their microscopic geometric parameters (i.e., microfiber diameter) strongly influence the axonal outgrowth and synaptic connection pattern. These results implies that electro-spun fiber scaffolds with fine control over surface chemistry and nano/microscopic geometry may be used as an economic and general platform for three-dimensional mammalian culture systems, particularly, neuronal lineage and other network forming cell lines.
The central nervous system (CNS) controls food intake and energy expenditure via tight coordinations between multiple neuronal populations. Specifically, two distinct neuronal populations exist in the arcuate nucleus of hypothalamus (ARH): the anorexigenic (appetite-suppressing) pro-opiomelanocortin (POMC) neurons and the orexigenic (appetite-increasing) neuropeptide Y (NPY)/agouti-related peptide (AgRP) neurons. The coordinated regulation of neuronal circuit involving these neurons is essential in properly maintaining energy balance, and any disturbance therein may result in hyperphagia/obesity or hypophagia/starvation. Thus, adequate knowledge of the POMC and NPY/AgRP neuron physiology is mandatory to understand the pathophysiology of obesity and related metabolic diseases. This review will discuss the history and recent updates on the POMC and NPY/AgRP neuronal circuits, as well as the general anorexigenic and orexigenic circuits in the CNS. [BMB Reports 2015; 48(4): 229-233]
The PC12 is the widely used cell line to study neuronal differentiation. We had extensively investigated the details of protein expression in differentiated PC12 cells by proteomic analysis. The cells were incubated at the presence of nerve growth factor. We had analyzed the expression changes in the differentiating PC12 cells by 2-dimensional electrophoresis and the identification of the proteins using MALDI-TOF MS. By comparing expression pattern in the time course, we identified the candidate genes which are associated with neuronal differentiation. Among these genes, we performed real-time PCR analysis to validate $Idh3{\alpha}$ expression by the time course. To identify the function of $Idh3{\alpha}$ in neuronal differentiation stage, the transfection of $Idh3{\alpha}$ to PC12 cells was performed. As a result, we proved that up-regulation of $Idh3{\alpha}$ causes reduction in neural differentiation of PC12 cells. Based on these data, we suggest that $Idh3{\alpha}$ plays a role to the neuronal differentiation.
Electron microscopy is currently the only available technique with a spatial resolution sufficient to identify fine neuronal processes and synaptic structures in densely packed neuropil. For large-scale volume reconstruction of neuronal connectivity, serial block-face scanning electron microscopy allows us to acquire thousands of serial images in an automated fashion and reconstruct neural circuits faster by reducing the alignment task. Here we introduce the whole reconstruction procedure of synaptic network in the rat hippocampal CA1 area and discuss technical issues to be resolved for improving image quality and segmentation. Compared to the serial section transmission electron microscopy, serial block-face scanning electron microscopy produced much reliable three-dimensional data sets and accelerated reconstruction by reducing the need of alignment and distortion adjustment. This approach will generate invaluable information on organizational features of our connectomes as well as diverse neurological disorders caused by synaptic impairments.
Oscillatory magnetic fields produced in the brain due to neuronal activity can be measured by the sensor. Magnetoencephalography (MEG) is a non-invasive technique to record such neuronal activity due to excellent temporal and fair amount of spatial resolution, which gives information about the brain's functional activity. Potential utilization of high spatial resolution in MEG is likely to provide information related to in-depth brain functioning and underlying factors responsible for changes in neuronal waves in some diseases under resting state or task state. This review is a comprehensive report to introduce statistical models from MEG data including graphical network modelling. It is also meaningful to note that statisticians should play an important role in the brain science field.
Neuroprotection or prevention of neuronal loss is a complicated molecular process that is mediated by various cellular pathways. Use of different pharmacological agents as neuroprotectants has been reported especially in the last decades. These neuroprotective agents act through inhibition of inflammatory processes and apoptosis, attenuation of oxidative stress and reduction of free radicals. Control of this injurious molecular process is essential to the reduction of neuronal injuries and is associated with improved functional outcomes and recovery of the patients admitted to the intensive care unit. This study reviews neuroprotective agents and their mechanisms of action against central nervous system damages.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers D
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v.51
no.9
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pp.423-430
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2002
The fabrication and experimentation of multi-channel electrodes which enable detecting and recording of multi-site neuronal signals have been investigated. A multi-channel electrode array was fabricated by depositing 2000${\AA}$ thick Au layer on the 1000${\AA}$ thick Ti adhesion layer on a glass wafer. The metal paths were patterned by wet etching and passivated by depositing a PECVD silicon nitride insulation layer to prevent signals from intermixing or cross-talking. After placing a thin slice of rat cerebellar granule cell in the culture ring located in central portion of the multi-channel electrode plate, a neuronal signal from an electrode which is in contact with the cerebellar granule cell has been detected. It was found that the electrode impedance ranges 200㏀∼1㏁ and the impedance is not changed by cleaning with nitric acid. Also, the impedance is inversely proportion to the exposed electrode area and the cross-talk is negligible when the electrode spacing is bigger than 600$\mu\textrm{m}$. The amplitude and frequency of the measured action potential were 38㎷ and 2㎑, which are typical values. From the experimental results, the fabricated multi-channel electrode array proved to be suitable for multi-site neuronal signal detection for the analysis of a complicated cell network.
Ryu, Sang Baek;Bae, Eun Kyung;Kim, Jinhyung;Hwang, Yong Sup;Im, Changkyun;Chang, Jin Woo;Shin, Hyung-Cheul;Kim, Kyung Hwan
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.17
no.4
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pp.299-306
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2013
Deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN) has been widely used as a treatment for the movement disturbances caused by Parkinson's disease (PD). Despite successful application of DBS, its mechanism of therapeutic effect is not clearly understood. Because PD results from the degeneration of dopamine neurons that affect the basal ganglia (BG) network, investigation of neuronal responses of BG neurons during STN DBS can provide informative insights for the understanding of the mechanism of therapeutic effect. However, it is difficult to observe neuronal activity during DBS because of large stimulation artifacts. Here, we report the observation of neuronal activities of the globus pallidus (GP) in normal and PD model rats during electrical stimulation of the STN. A custom artifact removal technique was devised to enable monitoring of neural activity during stimulation. We investigated how GP neurons responded to STN stimulation at various stimulation frequencies (10, 50, 90 and 130 Hz). It was observed that activities of GP neurons were modulated by stimulation frequency of the STN and significantly inhibited by high frequency stimulation above 50 Hz. These findings suggest that GP neuronal activity is effectively modulated by STN stimulation and strongly dependent on the frequency of stimulation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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