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.
Ethanol treatment during the brain growth spurt period has been known to induce the death of Purkinje cells. The underlying molecular mechanisms and the role of reactive oxygen species (ROS) in triggering ethanol-induced Purkinje cell death are, however, largely unresolved. We undertook TUNEL staining, western blotting assay and immunohistochemistry for the cleaved forms of caspase-3 and -9, with calbindin D28K double immunostaining to identify apoptotic Purkinje cells. The possibility of ROS-induced Purkinje cell death was immunohistochemically determined by using anti-8-hydroxy-2'deoxyguanosine (8-OHdG), a specific cellular marker for oxidative damage. The results show that Purkinje cell death of PD 5 rat cerebellum following ethanol administration is mediated by the activation of caspase-3 and -9. However, unexpectedly, TUNEL staining did not reveal any positive Purkinje cells while there were some TUNEL-positive cells in the internal and external granular layer. 8-OHdG was detected in the Purkinje cell layers at 8 h, peaked at 12-24 h, but not at 30 h post-ethanol treatment. No 8-0HdG immunoreactive cells were detected in the internal and external granular layer. The lobule specific 8-OHdG staining patterns following ethanol exposure are consistent with that of ethanol-induced Purkinje cell loss. Thus, we suggest that ethanol-induced Purkinje cell death may not occur by the classical apoptotic pathway and oxidative damage is involved in ethanol-induced Purkinje cell death in the developing cerebellum.
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.
Hyun-Wook Kim;Seung Hak Oh;Se Jeong Lee;Ji eun Na;Im Joo Rhyu
Applied Microscopy
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v.50
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pp.6.1-6.6
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2020
The cerebellum is a region of the brain that plays an important role in motor control. It is classified phylogenetically into archicerebellum, paleocerebellum and neocerebellum. The Purkinje cells are lined in a row called Purkinje cell layer and it has a unique dendritic branches with many spines. The previous study reported that there is a difference of synapse density according to the lobules based on large two-dimensional data. However, recent study with high voltage electron microscopy showed there was no differences in dendritic spine density of the Purkinje cell according to its phylogenetic lobule. We analyzed Purkinje cell density in the II, VI and X lobules by stereological modules and synaptic density was estimated by double disector based on Purkinje cell density in the molecular layer of each lobule. The results showed that there was significant difference in the Purkinje cell density and synapse number according to their phylogenetic lobules. The number of Purkinje cell in a given volume was larger in the archicerebellum, but synapse density was higher in the neocerebellum. These data suggest that cellular and synaptic organization of the Purkinje cell is different according to their phylogenetic background.
Histological changes was investigated in the 4 weeks old rat brain using NMDA (N-methyl-D-asparate) which is capable of mediating excitotoxic events. The changes were occured when the injected NMDA solved in PBS was over $1.0{\mu}g/g$(about 90nM). The necrosis of Purkinje cells in cerebellum and the increasement of coloidal plexus cell number were prevalent. The Purkinje cell number of necrosis were increased according to increasement of amount of injected NMDA. In spite of increasement of degenerated Purkinje cell number, differentiation of new Purkinje cell was not identified because total number of Purkinje cell was not changed. The change of cell number was observed in coloidal plexus cell rather than degeneration of cell. About 5 time increasement was occured. This change may cause increasement of cerebrospinal fluid and the makes mophorogy of brain more round than nomal.
We reviewed the anatomical characteristics of the conduction system in the ventricles of human and ungulate hearts and then raised some questions to be answered by clinical and anatomical studies in the future. The ventricular conduction system is a 3-dimensional structure as compared to the 2-dimensional character of the atrial conduction system. The proximal part consisting of the atrioventricular node, the bundle of His and fascicles are groups of conducting cells surrounded by fibrous connective tissue so as to insulate from the underlying myocardium. Their location and morphological characters are well established. The bundle of His is a cord like structure but the left and right fascicles are broad at the proximal and branching at the distal part. The more distal part of fascicles and Purkinje system are linear networks of conducting cells at the immediate subendocardium but the intra-mural network is detected at the inner half of the ventricular wall. The papillary muscle also harbors Purkinje system not in the deeper part. It is hard to recognize histologically in human hearts but conducting cells as well as Purkinje cells are easily recognized in ungulate hearts. Further observation on human and ungulate hearts with myocardial infarct, we could find preserved Purkinje system at the subendocardium in contrast to the damaged system at the deeper myocardium. Further studies are necessary on the anatomical characteristics of this peripheral conduction system so as to correlate the clinical data on hearts with ventricular arrhythmias.
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.
The acute irradiation effect on rat Purkinje cell was carried out. Anesthetized rats, weighing 200-250g each, were exposed their heads to the linear accelerator (ML-4MV) with the doses of 3,000 rads or 6,000 rads respectively. Irradiated rats were sacrificed by perfusion fixation under anesthesia, six hours, two days and six days following the irradiations. Rats were perfused with the fixative of 1% glutaraldehyde-1% paraformaldehyde solution (pH 7.4). Small pieces of cerebellar cortices were taken out. Tissue blocks were washed out, and were refixed in the 2% osmium tetroxide solution. After dehydration, tissues were embedded in the araldite mixture. Ultrathin sections stained with uranyl acetate-lead citrate solution, were examined with an electron microscope. The results observed were as follow; 1. Many dark Purkinje cells exhibited most severe cellular alterations on 6 hours. But after the 2 or 6 days, the cells exhibited only some alterations of cytoplasmic organelles. 2. Many granular and agranular endoplasmic reticula exhibited the fusion of cisterns. These reticular alterations were most severe on 6 hours following irradiation. But the alterations were hardly found on 6 days. 3. In the Golgi region, alterations including the adhesion of lamelliform cisterns, enlarged saccules, and increased number of vesicles, etc, were seen on 6 hours. But the Golgi complexes were almost recovered on 6 days. 4. Lysosomes were abundant on 6 hours or 2 days, but some residual bodies were found on 6 days. 5. Mitochondrial changes were also most severe at on hours, and they were recovered thereafter. From the results, it was concluded that the cerebellar Purkinje cells reacted to the high doses of irradiation by hyperactive protein synthesis, autolytic activities and energy metabolism. The reaction was most active in the early stage. It implies that motor-control function of Purkinje cells are severely disturbed in the early stage of irradiation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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