Discovery of the naturally evolved fluorescent proteins and their genetically engineered biosensors have enormously contributed to current bio-imaging techniques. These reporters to trace dynamic changes of intracellular protein activities have continuously transformed according to the various demands in biological studies. Along with that, light-inducible optogenetic technologies have offered scientists to perturb, control and analyze the function of intracellular machineries in spatiotemporal manner. In this review, we present an overview of the molecular strategies that have been exploited for producing genetically encoded protein reporters and various optogenetic modules. Finally, in particular, we discuss the current efforts for combined use of these reporters and optogenetic modules as a powerful tactic for the control and imaging of signaling events in cells and tissues.
Objective : The parafascicular nucleus (PF) plays important roles in controlling the basal ganglia. It is not well known whether the PF affects the development of abnormal involuntary movements (AIMs). This study was aimed to find a role of the PF in development of AIMs using optogenetic methods in an animal model. Methods : Fourteen rats were underwent stereotactic operation, in which they were injected with an adeno-associated virus with channelrhodopsin (AAV2-hSyn-ChR2-mCherry) to the lateral one third of the PF. Behavior test was performed with and without optical stimulation 14 days after the injection of the virus. AIM of rat was examined using AIM score. After the behavior test, rat's brain was carefully extracted and the section was examined using a fluorescence microscope to confirm transfection of the PF. Results : Of the 14 rats, seven rats displayed evident involuntary abnormal movements. AIM scores were increased significantly after the stimulation compared to those at baseline. In rats with AIMs, mCherry expression was prominent in the PF, while the rats without AIM lacked with the mCherry expression. Conclusion : AIMs could be reversibly induced by stimulating the PF through an optogenetic method.
The amyloid hypothesis has been considered a major explanation of the pathogenesis of Alzheimer disease. However, failure of phase III clinical trials with anti-amyloid-beta monoclonal antibodies reveals the need for other therapeutic approaches to treat Alzheimer disease. Compared to its relatively short history, optogenetics has developed considerably. The expression of microbial opsins in cells using genetic engineering allows specific control of cell signals or molecules. The application of optogenetics to Alzheimer disease research or clinical approaches is increasing. When applied with gamma entrainment, optogenetic neuromodulation can improve Alzheimer disease symptoms. Although safety problems exist with optogenetics such as the use of viral vectors, this technique has great potential for use in Alzheimer disease. In this paper, we review the historical applications of optogenetic neuromodulation with gamma entrainment to investigate the mechanisms involved in Alzheimer disease and potential therapeutic strategies.
The anterior cingulate cortex (ACC) is known for its role in perception of nociceptive signals and the associated emotional responses. Recent optogenetic studies, involving modulation of neuronal activity in the ACC, show that the ACC can modulate mechanical hyperalgesia. In the present study, we used optogenetic techniques to selectively modulate excitatory pyramidal neurons and inhibitory interneurons in the ACC in a model of chronic inflammatory pain to assess their motivational effect in the conditioned place preference (CPP) test. Selective inhibition of pyramidal neurons induced preference during the CPP test, while activation of parvalbumin (PV)-specific neurons did not. Moreover, chemogenetic inhibition of the excitatory pyramidal neurons alleviated mechanical hyperalgesia, consistent with our previous result. Our results provide evidence for the analgesic effect of inhibition of ACC excitatory pyramidal neurons and a prospective treatment for chronic pain.
RIKEN BioResource Center (BRC) has collected, preserved, conducted quality control of, and distributed mouse resources since 2002 as the core facility of the National BioResource Project by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan. Our mouse resources include over 5,000 strains such as humanized disease models, fluorescent reporters, and knockout mice. We have developed novel mouse strains such as tissue-specific Cre-drivers and optogenetic strains that are in high demand by the research community. We have removed all our specified pathogens from the deposited mice and used our quality control tests to examine their genetic modifications and backgrounds. RIKEN BRC is a founding member of the Federation of International Mouse Resources and the Asian Mouse Mutagenesis and Resource Association, and provides mouse resources to the one-stop International Mouse Strain Resource database. RIKEN BRC also participates in the International Gene Trap Consortium, having registered 713 gene-trap clones and their sequences in a public library, and is an advisory member of the CREATE (Coordination of resources for conditional expression of mutated mouse alleles) consortium which represents major European and international mouse database holders for the integration and dissemination of Cre-driver strains. RIKEN BRC provides training courses in the use of advanced technologies for the quality control and cryopreservation of mouse strains to promote the effective use of mouse resources worldwide.
Proceedings of the Korean Society of Computer Information Conference
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2017.07a
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pp.153-155
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2017
최근 건강관리 및 질병관리 등에 대한 관심이 증가하면서 유비쿼터스 헬스케어 서비스와 관련 기기에 대한 개발이 활발히 진행 중이다. 또한, 관련 기기가 단순히 건강진단 및 질병진단과 더불어서 치료까지 하나의 기기에서 이루어지는 테라그노시스 방향으로 개발되고 있다. 또한 치료를 위해 광유전학 기술을 이용하여 광반응성 단백질인 ChR2로 뇌세포의 자극을 조절할 수 있다. 뇌세포의 자극을 조절함으로써 뇌 질환의 발현 시 유용하게 대처할 수 있다. 본 논문에서 뇌의 전기적 신호를 획득하는 기기와 연동되는 IoT 시스템을 통해서 유비쿼터스 헬스케어에 대한 방법론에 대해서 서술한다. 특히, 뇌의 전기적 신호를 획득하는 장치를 통한 뇌, 신경 질환인 뇌전증에 대한 진단과 치료의 유무를 판단하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템에 대해서 서술한다. 이처럼 웨어러블 뇌파 신호 측정 장치와 연동되는 IoT 시스템을 통해 뇌파 신호를 지속적으로 모니터함으로써 사용자의 뇌전증의 발현 시 진단 및 치료, 긴급연락 서비스를 통해 사용자의 돌발 사태에 대해서 대처할 수 있는 방법론을 제시한다.
Parkinson's disease (PD) is a debilitating disorder resulting from loss of dopamine neurons. In dopamine deficient state, the basal ganglia increases inhibitory synaptic outputs to the thalamus. This increased inhibition by the basal ganglia output is known to reduce firing rate of thalamic neurons that relay motor signals to the motor cortex. This 'rate model' suggests that the reduced excitability of thalamic neurons is the key for inducing motor abnormalities in PD patients. We reveal that in response to inhibition, thalamic neurons generate rebound firing at the end of inhibition. This rebound firing increases motor cortical activity and induces muscular responses that triggers Parkinsonian motor dysfunction. Genetic and optogenetic intervention of the rebound firing prevent motor dysfunction in a mouse model of PD. Our results suggest that inhibitory synaptic mechanism mediates motor dysfunction by generating rebound excitability in the thalamocortical pathway.
Due to their high degree of freedom to transfer and acquire light, fiber optics can be used in the presence of strong magnetic fields. Hence, optical sensing and imaging based on fiber optics can be integrated with magnetic resonance imaging (MRI) diagnostic systems to acquire valuable information on biological tissues and organs based on a magnetic field. In this article, we explored the combination of MRI and optical sensing/imaging techniques by classifying them into the following topics: 1) functional near-infrared spectroscopy with functional MRI for brain studies and brain disease diagnoses, 2) integration of fiber-optic molecular imaging and optogenetic stimulation with MRI, and 3) optical therapeutic applications with an MRI guidance system. Through these investigations, we believe that a combination of MRI and optical sensing/imaging techniques can be employed as both research methods for multidisciplinary studies and clinical diagnostic/therapeutic devices.
Of the numerous events that occur in daily life, we readily remember salient information, but do not retain most less-salient events for a prolonged period. Although some of the episodes contain putatively emotional aspects, the information with lower saliency is rarely stored in neural circuits via an unknown mechanism. We provided substantial evidence indicating that synaptic plasticity in the dorsal ITC of amygdala allows for selective storage of salient emotional experiences, while it deters less-salient experience from entering long-term memory. After activation of D4R or weak fear conditioning, STDP stimulation induces LTD in the LA-ITC synapses. This form of LTD is dependent upon presynaptic D4R, and is likely to result from enhancement of GABA release. Both optogenetic abrogation of LTD and ablation of D4R at the dorsal ITC in vivo lead to heightened and over-generalized fear responses. Finally, we demonstrated that LTD was impaired at the dorsal ITC of PTSD model mice, which suggests that maladaptation of GABAergic signaling and the resultant LTD impairment contribute to the endophenotypes of PTSD. [BMB Reports 2016; 49(1): 1-2]
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[게시일 2004년 10월 1일]
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