• Molecules and Cells
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• 제44권2호
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• pp.63-67
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• 2021

The bed nucleus of the stria terminalis (BNST)-a key part of the extended amygdala-has been implicated in the regulation of diverse behavioral states, ranging from anxiety and reward processing to feeding behavior. Among the host of distinct types of neurons within the BNST, recent investigations employing cell type- and projection-specific circuit dissection techniques (such as optogenetics, chemogenetics, deep-brain calcium imaging, and the genetic and viral methods for targeting specific types of cells) have highlighted the key roles of glutamatergic and GABAergic neurons and their axonal projections. As anticipated from their primary roles in excitatory and inhibitory neurotransmission, these studies established that the glutamatergic and GABAergic subpopulations of the BNST oppositely regulate diverse behavioral states. At the same time, these studies have also revealed unexpected functional specificity and heterogeneity within each subpopulation. In this Minireview, we introduce the body of studies that investigated the function of glutamatergic and GABAergic BNST neurons and their circuits. We also discuss unresolved questions and future directions for a more complete understanding of the cellular diversity and functional heterogeneity within the BNST.

• Molecules and Cells
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• 제45권2호
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• pp.84-92
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• 2022

To understand the microcircuitry of the brain, the anatomical and functional connectivity among neurons must be resolved. One of the technical hurdles to achieving this goal is that the anatomical connections, or synapses, are often smaller than the diffraction limit of light and thus are difficult to resolve by conventional microscopy, while the microcircuitry of the brain is on the scale of 1 mm or larger. To date, the gold standard method for microcircuit reconstruction has been electron microscopy (EM). However, despite its rapid development, EM has clear shortcomings as a method for microcircuit reconstruction. The greatest weakness of this method is arguably its incompatibility with functional and molecular analysis. Fluorescence microscopy, on the other hand, is readily compatible with numerous physiological and molecular analyses. We believe that recent advances in various fluorescence microscopy techniques offer a new possibility for reliable synapse detection in large volumes of neural circuits. In this minireview, we summarize recent advances in fluorescence-based microcircuit reconstruction. In the same vein as these studies, we introduce our recent efforts to analyze the long-range connectivity among brain areas and the subcellular distribution of synapses of interest in relatively large volumes of cortical tissue with array tomography and superresolution microscopy.

• Journal of Genetic Medicine
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• 제21권1호
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• pp.6-13
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• 2024

Rare diseases are characterized by a low prevalence, which often means that patients with such diseases are undiagnosed and do not have effective treatment options. Neurodevelopmental and neurological disorders make up around 40% of rare diseases and in the past decade, there has been a surge in the identification of genes linked to these conditions. This has created the need for model organisms to reveal mechanisms and to assess therapeutic methods. Different model animals have been employed, like Caenorhabditis elegans, Drosophila, zebrafish, and mice, to investigate the rare neurological diseases and to identify the causative genes. While the zebrafish has become a popular animal model in the last decade, mainly for studying brain development, understanding neural circuits, and conducting chemical screens, the mouse has been a very well-known model for decades. This review explores the strengths and limitations of using zebrafish as a vertebrate animal model for rare neurological disorders, emphasizing the features that make this animal model promising for the research on these disorders.

• 한국가시화정보학회:학술대회논문집
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• 한국가시화정보학회 2002년도 마이크로/바이오 가시화기술부문 학술강연회
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• pp.51-78
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• 2002

A number of research groups worldwide are studying electronic implants that can be mounted on retinal optic nerve/visual cortex to restore vision of patients suffering from retinal degeneration. The implants consist of a neural interface made of biocompatible materials, one or more integrated circuits for stimuli generation, a camera, an image processor, and a telemetric channel. The realization of these classes of neural prosthetic devices is largely due to the explosive development of micro- and nano-electronics technologies in the late $20^{th}$ century and biotechnologies more recently. Animal experiments showed promise and some human experiments are in progress to indicate that recognition of images can be obtained and improved over time. We, at NBS-ERC of SNU, have started our own retinal implant project in 2000. We have selected polyimide as the biomaterial for an epi-retinal stimulator. In-vitro and in-vivo biocompatibility studies have been performed on the electrode arrays. We have obtained good affinity to retinal pigment epithelial cells and no harmful effect. The implant also showed very good stability and safety in rabbit eye for 12 weeks. We have also demonstrated that through proper stimulation of inner retina, meaning vision can be obtained.

• 생명과학회지
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• 제25권8호
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• pp.953-959
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• 2015

광유전학은 생체 조직 및 세포에서 유전공학적으로 발현된 광민감성 단백질을 이용하여 목표로 하는 분자/세포 활동을 조절하기 위한 광학 및 분자적 전략들의 조합이다. 광유전학은 빛을 이용하여 신경세포의 발화 여부를 결정하는 세포막 채널을 빨리 열고 닫는 방법을 포함한다. 이 기술은 녹조류의 광민감성 단백질들을 특정 뇌세포에 넣는데서 시작되었다. 이렇게 하면 세포들은 파랑이나 노락색의 펄스로 켜지거나 꺼질 수 있다. 빨리 개폐되는 광민감성 양이온 채널인 자연계에 존재하는 조류 단백질인 channelrhodopsin-2 (ChR2)를 이용하여 활동전위의 숫자와 빈번도를 조절할 수 있다. ChR2는 다른 세포들은 영향을 주지 않으면서 한 유형의 신경세포만 조작할 수 있는 길을 제시하는데, 이는 전례가 없는 특이성이다. 이 기술은 빛을 이용하여 단일 발화와 시냅스 사건 수준에서 신경신호전달을 변경시킬 수 있도록 하여 신경과학자와 의생명공학자들에게 널리 적용될 수 있는 도구를 제공한다. 녹조류와 레이저, 유전자 치료, 광섬유의 희한한 조합은 이전에 결코 불가능했던 정밀도로 뇌 속 깊은 곳의 신경 회로 지도를 그릴 수 있도록 해주었다. 이것은 우울증, 불안, 정신분열, 중독, 수면병, 그리고 자폐증 같은 질환의 원인을 밝히는데 도움을 줄 것이다. 광유전학은 파킨슨병, 강박장애, 그리고 전기 펄스가 있는 다른 질환들을 치료하는데 사용되는 기존 이식 도구들을 개선시킬 수 있다. 광유전학 장치는 상기 장치들이 할 수 있는 것보다 더 많이 뇌세포의 특정 세포들을 대상으로 할 수 있다. 신경세포 이외의 일반 세포들에도 광유전학 도구들을 적용하는 연구들이 증가하고 있다.

• 전자공학회논문지
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• 제52권8호
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• pp.49-58
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• 2015

본 연구에서는 $TiO_2$멤리스터와 동일한 동작특성을 갖는 멤리스터 에뮬레이터 회로를 비접지형 회로로 개발하였다. 대부분의 기존 멤리스터 에뮬레이터는 다른 멤리스터나 소자들과의 연결성을 고려하지 않은 접지 식으로 개발된 것들이다. 본 연구에서 개발한 멤리스터 에뮬레이터는 비접지식으로서, 출력 단을 접지할 필요가 없기 때문에 다른 소자들과 연결이 가능하여, 다양한 회로들과의 연결하여 동작을 확인하는데 사용할 수 있다. 개발한 멤리스터 에뮬레이터의 기능을 확인하기 위해서 저항과 직렬로 연결한 회로와 4개의 멤리스터 에뮬레이터를 직렬 및 병렬로 연결한 휘트스톤 브리지 회로를 구성하였다. 또한 이브리지 회로가 신경망 시냅스의 가중치 연산이 가능함을 보였다.

• 정보학연구
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• 제6권4호
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• pp.11-23
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• 2003

본 논문에서는 캐리 전파가 없어 고속연산이 가능한 잉여수계를 이용하여 생산자동화 시스템에서 실시간 물체인식을 위한 디지털 뉴런프로세서의 구현방법을 제안하였다. 설계된 디지털 뉴런프로세서는 잉여수계를 이용한 MAC 연산기와 혼합계수 변환을 이용한 시그모이드 함수 연산부로 구성되며, 설계된 회로는 C언어 및 VHDL로 기술하였고 Compass 툴로 합성하였다. 최종적으로, LG 0.8${\mu}m$ CMOS 공정을 사용하여 Full Custom방식으로 설계를 수행하였다. 실험결과, 가장 나쁜 경로일 경우, 약 19nsec의 지연속도와 0.6ns의 연산속도를 보였고, 기존의 실수 연산기에 비하여 약 1/2배정도 하드웨어 크기를 줄일 수 있었다. 본 논문에서 설계한 디지털 뉴런프로세서는 실시간 처리를 요하는 생산자동화 시스템의 물체인식 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국컴퓨터정보학회논문지
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• 제12권3호
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• pp.37-50
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• 2007

본 논문에서는 캐리전파가 없어 고속연산이 가능한 잉여 수 체계(Residue Number System)를 이용하여 생산자동화 시스템에서 실시간 물체인식을 위한 고속의 디지털 뉴런 프로세서를 제안하고 이를 구현하기 위한 중요연산부인 PE를 설계 및 구현하였다. 설계된 디지털 뉴런프로세서는 잉여수계를 이용한 MAC(Multiplier and Accumulator)연산기와 혼합계수 변환을 이용한 시그모이드 함수 연산부로 구성된다. 설계된 회로는 C언어 및 VHDL로 기술하였고 Compass툴로 합성하였으며 LG $0.8{\mu}m$ CMOS공정으로 설계되었다. 실험결과 본 논문에서 설계 및 구현한 디지털 뉴런프로세서는 기존 방식의 잉여수계를 이용한 연산기 및 실수연산기로 구현한 뉴런프로세서에 비하여 3배 이상의 연산속도와 약 50%정도 하드웨어 크기를 줄일 수 있었다. 본 논문에서 설계 및 구현한 디지털 뉴런프로세서는 실시간 처리를 요하는 생산자동화 시스템의 물체인식 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국지능시스템학회논문지
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• 제19권6호
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• pp.749-754
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• 2009

4족 보행로봇의 빠른 걸음새를 자동으로 생성하는 문제에 대해서 GP(Genetic Programming)와 CPG(Central Pattern Generator) 기반의 두 가지 방식을 비교한다. GP(Genetic Programming)를 이용한 관절좌표계 상에서의 걸음새 생성 기법은 발끝의 자취와 수 많은 자세 파라미터를 사용하는 대신에 적은수의 관절 궤적을 생성하므로 효율적이다. CPG는 뇌로부터의 입력을 받아서 진동적인 출력을 생성하는 신경회로로 고등생물의 걸음 원리를 수학적으로 모델링한 것이다. 바이올로이드로 구성된 4족 보행로봇에 대하여 Webots기반의 ODE 시뮬레이션을 통해 접근 기법들에 대한 최적화를 수행하고 결과를 비교 분석한다. 그리고, 구해진 시뮬레이션과 결과를 실제 로봇에 대해서 각 동작을 실행시켜 보면서 CPG와 GP 기반의 걸음새 방식의 실제적인 성능 및 특성을 고찰한다.

• Molecules and Cells
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• 제40권2호
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• pp.151-161
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• 2017

Proper synaptic function in neural circuits requires precise pairings between correct pre- and post-synaptic partners. Errors in this process may underlie development of neuropsychiatric disorders, such as autism spectrum disorder (ASD). Development of ASD can be influenced by genetic factors, including copy number variations (CNVs). In this study, we focused on a CNV occurring at the 16p11.2 locus in the human genome and investigated potential defects in synaptic connectivity caused by reduced activities of genes located in this region at Drosophila larval neuromuscular junctions, a well-established model synapse with stereotypic synaptic structures. A mutation of rolled, a Drosophila homolog of human mitogen-activated protein kinase 3 (MAPK3) at the 16p11.2 locus, caused ectopic innervation of axonal branches and their abnormal defasciculation. The specificity of these phenotypes was confirmed by expression of wild-type rolled in the mutant background. Albeit to a lesser extent, we also observed ectopic innervation patterns in mutants defective in Cdk2, Gq, and Gp93, all of which were expected to interact with Rolled MAPK3. A further genetic analysis in double heterozygous combinations revealed a synergistic interaction between rolled and Gp93. In addition, results from RT-qPCR analyses indicated consistently reduced rolled mRNA levels in Cdk2, Gq, and Gp93 mutants. Taken together, these data suggest a central role of MAPK3 in regulating the precise targeting of presynaptic axons to proper postsynaptic targets, a critical step that may be altered significantly in ASD.