Sang Hui Yong;Sang-Mi Kim;Gyeong Woon Kong;Seung Hwan Ko;Eun-Hye Lee;Yohan Oh;Chang-Hwan Park
BMB Reports
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v.57
no.8
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pp.363-368
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2024
Parkinson's disease (PD), characterized by dopaminergic neuron degeneration in the substantia nigra, is caused by various genetic and environmental factors. Current treatment methods are medication and surgery; however, a primary therapy has not yet been proposed. In this study, we aimed to develop a new treatment for PD that induces direct reprogramming of dopaminergic neurons (iDAN). Achaete-scute family bHLH transcription factor 1 (ASCL1) is a primary factor that initiates and regulates central nervous system development and induces neurogenesis. In addition, it interacts with BRN2 and MYT1L, which are crucial transcription factors for the direct conversion of fibroblasts into neurons. Overexpression of ASCL1 along with the transcription factors NURR1 and LMX1A can directly reprogram iDANs. Using a retrovirus, GFP-tagged ASCL1 was overexpressed in astrocytes. One week of culture in iDAN convertsion medium reprogrammed the astrocytes into iDANs. After 7 days of differentiation, TH+/TUJ1+ cells emerged. After 2 weeks, the number of mature TH+/TUJ1+ dopaminergic neurons increased. Only ventral midbrain (VM) astrocytes exhibited these results, not cortical astrocytes. Thus, VM astrocytes can undergo direct iDAN reprogramming with ASCL1 alone, in the absence of transcription factors that stimulate dopaminergic neurons development.
Neurostimulation approaches have been developed and explored to modulate neuroplastic changes of cortical function in human brain. As one of the most primary noninvasive tools, transcranial direct current stimulation (tDCS) was extensively studied in the field of neuroscience. The alternation of cortical neurons depending on the polarity of the tDCS has been used for improving cognitive processing including working memory, learning, and language in normal individuals, as well as in patients with neurological or psychiatric diseases. In addition, tDCS has great advantages: it is a non-invasive, painless, safe, and cost-effective approach to enhance brain function in normal subjects and patients with neurological disorders. Numerous previous studies have confirmed the efficacy of tDCS. However, tDCS has not been considered for clinical applications and research in the field of physical therapy. Therefore, this review will focus on the general principles of tDCS and its related application parameters, and provide consideration of motor behavioral research and clinical applications in physical therapy.
Several lines of evidence suggest that endoplasmic reticulum (ER) stress plays a critical role in the pathogenesis of many neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and amyotrophic lateral sclerosis. Protein tyrosine phosphatase 1B (PTP1B) is known to regulate the ER stress signaling pathway, but its role in neuronal systems in terms of ER stress remains largely unknown. Here, we showed that rotenone-induced toxicity in human neuroblastoma cell lines and mouse primary cortical neurons was ameliorated by PTP1B inhibition. Moreover, the increase in the level of ER stress markers ($eIF2{\alpha}$ phosphorylation and PERK phosphorylation) induced by rotenone treatment was obviously suppressed by concomitant PTP1B inhibition. However, the rotenone-induced production of reactive oxygen species (ROS) was not affected by PTP1B inhibition, suggesting that the neuroprotective effect of the PTP1B inhibitor is not associated with ROS production. Moreover, we found that MG132-induced toxicity involving proteasome inhibition was also ameliorated by PTP1B inhibition in a human neuroblastoma cell line and mouse primary cortical neurons. Consistently, downregulation of the PTP1B homologue gene in Drosophila mitigated rotenone- and MG132-induced toxicity. Taken together, these findings indicate that PTP1B inhibition may represent a novel therapeutic approach for ER stress-mediated neurodegenerative diseases.
Damage in the periphery or spinal cord induces maladaptive plastic changes along the somatosensory nervous system from the periphery to the cortex, often leading to chronic pain. Although the role of neural circuit remodeling and structural synaptic plasticity in the 'pain matrix' cortices in chronic pain has been thought as a secondary epiphenomenon to altered nociceptive signaling in the spinal cord, progress in whole brain imaging studies on human patients and animal models has suggested a possibility that plastic changes in cortical neural circuits may actively contribute to chronic pain symptoms. Furthermore, recent development in two-photon microscopy and fluorescence labeling techniques have enabled us to longitudinally trace the structural and functional changes in local circuits, single neurons and even individual synapses in the brain of living animals. These technical advances has started to reveal that cortical structural remodeling following tissue or nerve damage could rapidly occur within days, which are temporally correlated with functional plasticity of cortical circuits as well as the development and maintenance of chronic pain behavior, thereby modifying the previous concept that it takes much longer periods (e.g. months or years). In this review, we discuss the relation of neural circuit plasticity in the 'pain matrix' cortices, such as the anterior cingulate cortex, prefrontal cortex and primary somatosensory cortex, with chronic pain. We also introduce how to apply long-term in vivo two-photon imaging approaches for the study of pathophysiological mechanisms of chronic pain.
Kim, Young-C.;Kim, So.R.;Markelonis, George J.;Oh, Tae-H.
Proceedings of the Ginseng society Conference
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1998.06a
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pp.47-56
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1998
In the present study, we assayed a number of compounds isolated from Panax ginseng C. A. Meyer (Araliaceae) for an ability to protect rat cortical cell cultures from the deleterious effects of the neurotoxicant, glutamate. We found that ginsenosides Rbl and Rg3 significantly attenuated glutamate-induced neurotoxicity. Brief exposure of cultures to excess glutamate caused extensive neuronal death. Glutamate-induced neuronal cell damage was significantly reduced by pretreatment with Rbl and Rgl. Ginsenosides Rbl and Rg3 inhibited the overproduction of nitric oxide which routinely follows glutamate neurotoxicity and preserved the level of superoxide dismutase in glutamate-treated cells. Furthermore, in cultures treated with glutamate, these ginsenosides inhibited the formation of malondialdehyde, a compound produced during lipid peroxidation, and diminished the influx of calcium. These results show that ginsenosides Rbl and Rg1 exerted significant neuroprotective effects on cultured cortical cells. As such, these compounds may be efficacious in protecting neurons from oxidative damage produced by exposure to excess glutamate.
In previous our studies, we have reported that eugenol derived from Eugenia caryophyllata(Myrtaceace) exhibits acute N-methyl-D-aspartate(NMDA)- and oxygen/glucose deprivation-induced neurotoxicity in primary cortical cultures and protects hippocampal neurons from global ischemia. In this study, we investigated whether the extracts and fractions of E. caryophyllata or eugenol shows the neuroprotective effects against delayed neuronal injury evoked by NMDA or ${\alpha}$-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole propionate(AMPA), and oxidative damage induced by arachidonic acid-, hydrogen peroxide-, $FeCl_2$/ascorbic acid-, and buthionine sulfoximine(BSO) in primary cortical cultures. We examined the neurotoxicity of eugenol itself in cultures and inhibitory effect of eugenol on NMDA- or kainate(KA)-induced convulsion in BALB/c mice. Each water, methanol extract and methanol fraction of E. caryophyllata was significantly attenuated NMDA-induced delayed neurotoxicity, respectively. Eugenol exhibited a significant inhibitory action against the convulsion evoked by NMDA and KA, and reduced delayed or brief neurotoxicity induced by NMDA, AMPA, and various oxidative injuries. These results suggest that eugenol derived from E. caryophyllata may contribute the neuroprotection against delayed-type excitotoxicity and excitotoxins-mediated convulsion through the amelioration of oxidative stress.
Xuesaitong Ruanjiaonang (XR), a soft capsule containing Panax notoginseng saponins as main ingredients, is believed to remove extravasated blood and increase cerebral blood flow by improving blood circulation, and therefore, has been used in China to treat ischemic stroke or hemiplegia caused by cerebral thrombosis. To characterize pharmacological actions of XR, the present study evaluated its effects on neuronal cell damage induced by various oxidative insults or excitotoxic amino acids in primary cultured rat cortical cells. The neuronal cell viability was not affected by XR with the exposure for 2 h at the concentrations tested in this study ($10{\sim}1000\;{\mu}g/ml$). However, significant reduction of the cell viability was observed when the cultured cells were exposed to XR at $1000\;{\mu}g/ml$ for 24 h. XR was found to concentration-dependently inhibit the oxidative neuronal damage induced by $H_{2}O_2$, xanthine/xanthine oxidase or $Fe^{2+}$/ascorbic acid. In addition, it dramatically inhibited the excitotoxic damage induced by glutamate or N-methyl-D-aspartate (NMDA). We found that the NMDA-induced neurotoxicity was inhibited more effectively and potently than the glutamate-induced toxicity. Moreover, XR was found to exert mild inhibition of lipid peroxidation induced by $Fe^{2+}$/ascorbic acid in rat brain homogenates and some 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical scavenging activity. Taken together, these results demonstrate neuroprotective and antioxidant effects of XR, showing inhibition of oxidative and excitotoxic damage in the cultured cortical neurons, as well as inhibition of lipid peroxidation and its radical scavenging activity. Considering that excitotoxicity and oxidative stress pl ay crucial roles in neuronal cell damage during ischemia and reperfusion, these results may provide pharmacological basis for its clinical usage to treat ischemic stroke.
Glutamate toxicity-mediated mitochondrial dysfunction and neuronal cell death are involved in the pathogenesis of several neurodegenerative diseases as well as acute brain ischemia/stroke. In this study, we investigated the neuroprotective mechanism of dieckol (DEK), one of the phlorotannins isolated from the marine brown alga Ecklonia cava, against glutamate toxicity. Primary cortical neurons ($100{\mu}M$, 24 h) and HT22 neurons (5 mM, 12 h) were stimulated with glutamate to induce glutamate toxic condition. The results demonstrated that DEK treatment significantly increased cell viability in a dose-dependent manner ($1-50{\mu}M$) and recovered morphological deterioration in glutamate-stimulated neurons. In addition, DEK strongly attenuated intracellular reactive oxygen species (ROS) levels, mitochondrial overload of $Ca^{2+}$ and ROS, mitochondrial membrane potential (${\Delta}{\Psi}_m$) disruption, adenine triphosphate depletion. DEK showed free radical scavenging activity in the cell-free system. Furthermore, DEK enhanced protein expression of heme oxygenase-1 (HO-1), an important anti-oxidant enzyme, via the nuclear translocation of nuclear factor-like 2 (Nrf2). Taken together, we conclude that DEK exerts neuroprotective activities against glutamate toxicity through its direct free radical scavenging property and the Nrf-2/HO-1 pathway activation.
Interneuron diversity is one of the key factors to hinder understanding the mechanism of cortical neural network functions even with their important roles. We characterized inhibitory interneurons in layer II/III of the rat primary visual cortex, using patch-clamp recording and confocal reconstruction, and classified inhibitory interneurons into fast spiking (FS), late spiking (LS), burst spiking (BS), and regular spiking non-pyramidal (RSNP) neurons according to their electrophysiological characteristics. Global parameters to identify inhibitory interneurons were resting membrane potential (>-70 mV) and action potential (AP) width (<0.9 msec at half amplitude). FS could be differentiated from LS, based on smaller amplitude of the AP (<∼50 mV) and shorter peak-to-trough time (P-T time) of the afterhyperpolarization (<4 msec). In addition to the shorter AP width, RSNP had the higher input resistance (>200 $M{Omega}$) and the shorter P-T time (<20 msec) than those of regular spiking pyramidal neurons. Confocal reconstruction of recorded cells revealed characteristic morphology of each subtype of inhibitory interneurons. Thus, our results provide at least four subtypes of inhibitory interneurons in layer II/III of the rat primary visual cortex and a classification scheme of inhibitory interneurons.
Magamage, Manjula Priyantha Sumith;Sathagopam, Sriravali;Avula, Kiran;Madushanka, Di Neththi Nimesh;Velmurugan, Sathya
Journal of Animal Reproduction and Biotechnology
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v.36
no.1
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pp.51-58
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2021
Kisspeptin, a neuropeptide and the master controller of reproductive axis upstream to GnRH neurons, and its receptor are also expressed in extra-hypothalamic tissues, such as ovaries. As systemic kisspeptin has been shown to modulate follicular dynamics in cattle, we hypothesized that kisspeptin has direct actions on the ovarian follicular development. We also hypothesized that kisspeptin regulation of primordial follicle development is via modulation of VEGF expression. In order to test these hypotheses, we cultured caprine ovarian cortical strips in vitro for 7 days with supplementation of kisspeptin at 1, 10 and 100 µM concentration and observed the development of primordial follicles into intermediate, primary and secondary follicles. We also studied the alteration in the expression profile of VEGF and VEGF transcript variant 2 mRNA during follicular development in the presence of kisspeptin. We confirmed the presence of GPR54 in goat ovaries in our preliminary studies. Supplementation of kisspeptin at 1 and 10 µM concentration facilitated the development of primordial follicles into intermediate, primary and secondary follicles with less number of degenerated follicles while the same at 100 µM resulted in degeneration of follicles. We observed a drastic increase in the expression profile of VEGF and VEGF transcript variant 2 mRNA upon culture which was independent of kisspeptin treatment. In conclusion, our studies show that kisspeptin facilitates ovarian primordial development in vitro.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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