교신저자:김범규,
660-702 경남 진주시 칠암동 92 경상대학교 의과대학 이비인후과학교실
전화:(055) 750-8178 · 전송:(055) 759-0613 ·E-mail:kbgyu@hanmir.com
서 론
안면신경은 약 10,000개의 신경섬유로 구성되어 이중 7,000개는 유수섬유인 운동신경으로 안면근육을 지배하며,
3,000개는 누선과 타액선의 분비에 관여하는 분비운동신경섬유와 외이도 후방의 지각 및 혀의 특수감각인 미각을 지배하는 감각신경섬유로 구성되어
있다. 해부학적으로 안면신경의 전장은 크게 두개내 부분, 내이도에서 경유돌공까지의 측두골을 통과하는 부분 및 안면과 두정부의 근육에 분포하는
부분을 포함하여 3부분으로 대별할 수 있다. 이중 두개내 부분에서 일어나는 안면근육들의 수의반응은 대뇌피질의 특정지역인 운동성안면부영역에서
나오는 자극에 의해 피질연수로를 따라 내포(internal capsule)를 거쳐 뇌교에 위치한 안면신경핵에 연접하게 되는 것으로 알려져있다.
이러한 안면신경의 중추신경로에 대해서는 아직도 완전히 밝혀져있지 않은 상태이며 지속적으로 많은 연구가 되어지고 있는 상황이다. 중추신경계에서
특정 신경핵을 찾고 신경로를 밝히는 연구는 과거 수십년간 관심이 집중되어 온 과제이다. 1940~50년대에 병변유발에 의한 역행성 퇴행성변성기법(retrograde
degeneration technique)을 이용한 신경연결에 대한 실험이 이루어진 이후로 많은 보완된 방법들이 있었지만 그때마다 신경연접을
건너지 못하는 한계점이 있었다. 따라서 연속성 있는 신경경로를 확인하기 위하여 신경추적자는 무엇보다 신경연접을 건널 수 있는 추적자(transsynaptic
tracer)가 필요하게 되었다. 이런 문제에 대하여 1989년 Strack등1)이
돼지의 신경친화성 바이러스인 pseudorabies 바이러스 중 Bartha strain을 이용하여 교감신경 일부의 중추신경계통
내에서의 지배를 보고한 이후 90년대에 들어 Card등2)은
이 바이러스가 신경추적자로 적합하게 이용될 수 있음을 증명하였다.
따라서 본 연구는 말초신경중의 하나인 안면신경의 중추신경계통 속에서 지금까지 부분적으로 알려졌던 신경로들을 신뢰성있는
추적자를 이용하여 형태학적으로 규명함으로써 안면신경의 전반적인 신경축을 재구성하는데 목적을 두고 있다.
재료 및 방법
재 료
실험동물
체중 250 gm 내외의 성숙한 Sprague-Dawley계 흰쥐 8마리를 암수
구별없이 사용하였다. 실험동물들은 외부와 격리된 사육장에서 사료와 물을 공급하여 사용하였다.
신경추적자:Pseudorabies 바이러스 및 항체
Pseudorabies 바이러스의 Bartha strain을 Dr. John Card(Univ. of Pittsburg
PA USA)로 부터 분양받아 의과대학에서 증식시켜 사용하였다. 이 strain은 porcine kidney fibroblast(PK15-cell)에서
자란 것으로 사용시 plaque forming unit는 평균 1×108 pfu/ml이고 -70°C에서 냉동 보관하며
주사 직전에 녹여 신선한 것을 사용하였다. 1차 항체는 이 바이러스를 아세톤으로 불활성화하여 토끼에 주사하여 얻은 rabbit anti-PRV-Ba를
사용하였으며 이들 역시 Dr. John Card으로부터 분양 받아 사용하였다.
방 법
바이러스의 주입
먼저 흰쥐의 복강내에 ketamine hydrochloride를 체중 100 gm
당 0.15 ml, xylazine hydrochloride를 체중 100 gm당 0.05 ml씩 주사하여 마취시켰다. 마취후 흰쥐의 귀
뒤에서 안면신경을 노출시키고 유리피펫(glass pipette)이 부착된 Hamilton 주사기를 사용하여 10 μl PRV-Ba를 주입하였다.
역류에 의한 바이러스의 누출을 방지하기 위해 신경섬유의 길이방향으로 5~6 mm 정도로 주사바늘을 삽입한 후 다시 1~2 mm 후퇴시켜
바이러스가 고일 수 있는 공간을 제공하였다. 주사가 끝난 후 상처를 봉합하고 70% 알코올로 상처부위를 소독하였다.
조직처리
바이러스 주사후 72, 96시간이 경과한 후 각각 4마리씩 쥐를 마취한 다음 앞가슴벽을 열고 오름대동맥을 통하여
관류고정을 하였다. 관류고정은 먼저 0.9% NaCl에 heparin(1000 IU/1000 ml)을 섞은 용액을 10분간 관류시키고 4%
paraform-aldehyde-lysine-periodate를 30분간 관류시켰다. 관류고정 후 뇌와 척수를 적출하여 4°C의 같은 고정액에
담아 4시간동안 후고정을 실시하였고, 이어서 20% sucrose 용액에서 동결보호(cryoprotection)를 시행하였다. 동결보호가
끝난 조직은 동결절편기를 사용하여 약 30 μm의 관상연속절편을 만들어 6-well plate에 순서대로 보관하였다가 free-floating
method로 면역조직화학 염색을 시행하였다.
면역조직화학 염색
30 μm의 연속절편을 0.1 M sodium phosphate buffer(pH 7.4, 이하 PB라 함)로 두차례
세척한 후 1:10,000으로 희석된 1차 항체에 조직절편을 담가 실온에서 12시간 반응시켰다. 그후 조직절편은 실온에서 10분간 3회
PB로 세척하고 2차항체인 biotinylated anti-rabbit IgG (Vectastain, PK-6101)를 1:200으로 희석하여
실온에서 1시간 30분동안 반응시켰다. 다시 10분간 3회 세척을 거쳐 peroxidase가 표시된 ABC 용액에 담가 1시간 동안 반응시켰으며,
PB로 세척후 20 mg 3-3'diaminobenzidine을 100 ml의 PB에 녹인 기질용액에 hydrogen peroxidase가
0.03%가 되게 하여 약 5분간 발색반응시킨 후 PB로 세척하였다. 발색반응이 끝난 조직은 gelatin-coated slide위에 순서대로
올려 건조시키고 cresyl violet으로 대조염색을 시행한 후 polymount로 봉입하여 광학현미경으로 관찰하였다.
결과분석
광학현미경에서 관찰된 결과는 현미경상으로 보이는 양성반응세포의 개수와 염색정도에 따라 실험자 주관적으로 (+),
(++), (+++)로 grading을 하였다.
결 과
양성반응세포의 양상
PRV-Ba를
이용한 면역조직화학법을 시행한 결과 중추신경계내 즉 뇌줄기에서 대뇌에 이르는 여러 신경핵을 구성하는 신경세포의 세포몸통(soma), 축삭(axon),
그리고 간수상돌기(stem dendrite) 같은 돌기들이 암갈색의 양성반응을 보이고 있었는데, 이들은 대체로 타원형내지 다각형의 다극신경세포
(multipolar neuron)로 관찰되었다(Fig.
1).
중추신경계내 양성세포의 분포
8마리의 흰쥐 모두에서 암갈색으로 양성반응을 나타내는 소견이
시간에 따라 순차적으로 특정신경핵을 따라 뇌줄기에서 대뇌피질로 진행되는 양상을 보였고 일부 신경핵들을 제외하고는 대개 양측에서 정도의 차이는
있지만 유사한 양성세포의 출현을 관찰할 수 있었다.
뇌줄기(Brainstem)에서의 분포
수뇌(Myelencephalon)
연수(medulla oblongata)에서는 고립로핵(nucleus of
solitary tract)과 일측 삼차척수신경로핵에서 강한 양성반응을 보였고, 등쪽연수그물부위(medullary reticular dorsal
field)에서 중등도반응을, 양측 솔기불명료핵(raphe obscurus nucleu)에서는 비교적 약한 양성반응이 보였다(Fig.
2).
중뇌 및 후뇌(Mesencephalon and metencephalon)
중뇌(midbrain)에서는 중심회(central gray)와 등쪽에 위치한 솔기핵(dorsal raphe
nucleus)에서 중등도의 양성반응이 보였고, Edinger-Westphal핵과 적핵(red nucleus)에서 약한 반응이 보였다(Fig.
3).
뇌교(pons)에서는 안면신경핵(facial nucleus)과 소세포성의 그물핵(parvocellular reticular
nucleus)에서 강한 양성반응이 보였고, 삼차신경척수핵(spinal trigeminal nucleus)과 뇌교의 중심회, 상분비핵(superior
salivatory nucleus), 배측팔옆핵(ventral parabrachial nucleus), 그리고 외측융대의 복측핵(ventral
nucleus of the lateral lemniscus)에서 중등도의 양성반응이 보이고 있었고, 거대세포성그물핵(gigantocellular
reticular nucleus)과 Klliker-Fuse nucleus에서 약한 양성반응이 보였다(Fig.
4).
전뇌(Forebrain)에서의 분포
간뇌(Diencephalon)
간뇌에서는 뇌실주위시상하부핵(periventricular hypothalamic nucleus)과 등쪽시상하부구역(dorsal
hypothalamic area)에서 중등도의 양성반응이 보였고, 내포의 내부엽핵(entopendular nucleus)과 상구(superior
colliculus)의 심부회백질층(deep gray layer), 내배측시상하부구역(ventromedial hypothalamic area)에서는
약한 양성반응이 보였다(Fig.
5).
종뇌(Telencephalon)
종뇌에서는 전두엽(frontal lobe)의 안와회(orbital gyri)에서 강한 반응을, 하변연피질(infralimbic
cortex)의 미측부분(caudal part)에서 중등도 반응이 보였고, 앞쪽 실비안회(sylvian gyrus)의 문측(rostral
part)에서 약한 양성반응이 보였다(Fig.
6).
양성세포의 시간별 출현양상
바이러스 주사후 생존 시간별로 나타나는 양성세포를 가진 신경핵을 확인한
결과 시간별로 순차적 출현을 한다는 것을 알 수 있었다.
본 실험에서는 바이러스 주사후 생존기간이 각각 72시간과 96시간후 양성세포를 확인하였는데 72시간 생존쥐에서는
교뇌에서 시작하여 연수쪽과 중뇌를 거쳐 간뇌의 뇌실옆핵까지의 신경핵에서 양성세포를 관찰할 수 있었다. 96시간 생존쥐에서는 시상하부근처와
대뇌 전두엽 운동피질에까지 양성세포를 관찰할 수 있었다.
고 찰
본 연구는 pseudorabies 바이러스를 이용하여 지금까지 부분적으로만 증명이 되었던 안면신경의 신경로를 말초부위에서부터
대뇌피질까지 선택적으로 그리고 연속적으로 보인 최초의 형태학적 연구라 할 수 있다. 안면신경과 같은 감각 및 운동신경의 중추내 특정신경핵을
찾고 신경로를 밝히는 연구는 과거 수십년동안 다양한 동물과 여러가지 방법으로 연구되어져왔다. 1977년 Martin등3)이
주머니쥐(opossum)에서 그물망(reticular formation)-중뇌부위까지의 구심성출구가 연구되어진 후 쥐의 상구(superior
colliculus)와 대뇌도수관(cerebral aqueduct)주위의 세포들에서,4)5)
등쪽 후뇌핵(dorsal metencephalic nuclei)과 paralemniscal zone을 고양이에서,5)6)
영장류(primates)에서도7)
각각 연구되었다. 쥐에서도 여러부위가 연구되어졌는데 삼차척수신경핵-안면신경핵간에서,8)
소세포성그물핵-안면신경핵간에서, 그리고 1980년대에 들어서 도수주위핵-안면신경핵간에서, 적핵구상로(rubrobulbar pathway)가7)9)
연구되었다. 또한 1978년 Henkel and Edwards5)는
고양이에서 이개운동(pinna movement)의 경로로써 안면신경핵의 내측아핵(medial subnucleus)에 대한 뇌간돌기(brainstem
projection)를 밝혔고, 1983년에 Hinrichsen과 Watson7)9)은
쥐에서 호흡운동에 대한 뇌간-안면신경핵간의 돌기를 연구하였다. 아울러 코털운동(vibrissae movement)을 관장하는 협지(buccal
rami)도 안면신경핵의 외측분지에서 기원한다는 것을 밝혀냈다.4)7)
이러한 말초신경 및 장기의 중추내 특정신경핵을 찾고 신경로를 밝히기 위해서 여러가지 추적자를 사용해 왔었는데, 과거
1940~50년대에는 염색질융해(chromatolysis)와 축삭융해(axolysis), 뇌의 전기자극 또는 뇌실표면이나 연수에 국소병변을
두고 말초신경을 염색하는 축삭의 퇴행변성(degeneration)이나 재생(regeneration)을 관찰하는 병변유발기법이 이용되어왔다.10)11)
그후 60~70년대에 acetylcholin-esterase를 조직화학염색방법 또는 CoCl2 용액으로
말초축삭에 수동충전(passive filling)하는 방법들을 사용하였으나 해독이 어렵거나 선택적 자극방법의 어려움으로 민감도가 떨어지는
문제점들이 있었다.12)
최근들어 축삭과 세포질 사이의 물질이동(axoplasmic flow)의 원리를 이용하여 신경세포체나 신경섬유에 특정물질을
추적자로 주입하여 신경로를 찾아내는 방법 등이 널리 응용되고있다. 이와 같은 물질 중에서 가장 보편적으로 쓰이는 추적자로는 fluoro-gold,
nuclear yellow나 true blue등의 형광물질이나 방사선동위원소에 표지된 단백질 또는 horseradish peroxidase(HRP)
등의 효소들이 쓰여지고 있다.13)
또한 1977년 Martin등3)이
cobalt sulphide precipitation technique을 이용하기도 하였다. 그래서 형광추적자를 사용하여 역행적 축삭전달의
cytophoretic quantification방법, 역행적 HRP주입과 전향적 자동방사선사진술(anterograde autoradiographic
technique)의 병합14)등과
같은 방법들이 등장하기도 하였다. 현재까지도 생쥐(mouse)의 비구조적, 비필수적 glycoprotein IgG를 encoding하는
유전자에 Escherichia coli Lac-Z 유전자를 주입한 뒤 pseudorabies mutant expressing β-galactosidase를
비내점적하는 연구가 되어지고 있고,15)
전향적으로 Phaseolus vulgaris leucoagglutinin(PHA-L)나 wheat germ agglutinin-horseradish
peroxidase(WGA-HRP)등의 lectin을 주입하는 방법 그리고 역행적으로 cholera toxin B subunit(CTb)를
주입16)하여
특이성있게 필요한 신경로를 확인하기도 하였다.
그러나 이들은 중추신경이나 말초신경을 통과할 때 상위신경부분으로 이동할수록 그 농도가 희석되며 신경축삭을 통해 상위신경세포로
이동하는 과정 중 연접을 건너가지 못하거나 건너간다 하더라도 극히 제한적이라는 한계점을 갖고 있다. 따라서 이미 밝혀진 하위신경핵에 위와
같은 종류의 추적자를 재주입하여 상위신경핵을 관찰하고 다시 같은 자리에 추적자를 주입하여야만 보다 상위신경핵을 관찰할 수 있다. 그러나
이러한 방법의 큰 단점은 재주사시 뇌 속의 극히 작은 신경핵에 선택적으로 추적자를 주사하는 것이 쉽지 않고 또한 주사시 뇌의 손상을 피할
수 없었다. 또한 주입부위의 신경핵내에 있는 신경세포들은 단일 장기만을 지배하기 위하여 독립적으로 할당된 것이 아니라 신체 여러부위에 공급하는
다른 신경핵들과도 연결되어 있기 때문에 단일 근육만을 특이하게 지배하는 신경로를 규명하는데 어려움이 있다. 이와같은 관점에서 근간에 말초부위에
1회 주사한 후 신경연접을 건너갈 수 있고 신경세포를 따라 증식 이동함으로써 추적자 표식이 약화되지 않는 장점을 가진 신경계 친화성인
Herpes viridae 바이러스에 속하는 pseudorabies 바이러스를 새로운 추적자로 사용하게 되었다. 이는
1923년 Goodpasture와 Teague1)에
의해 이 바이러스가 신경종말에서 흡수되어 세포체로의 역방향 이동이 처음 발표된 이후 신경연접부의 통과 뿐만아니라 역방향 및 정방향으로의
이동성 여부등이 많은 연구들에 의하여 증명되어졌다. 그후 이 바이러스의 신경말단에서의 흡수와 신경연접을 건너 주입부와 관련된 다음단계의
신경으로 이동하는 기전에 대하여 확실히 밝혀지지는 않았으나 바이러스의 기낭(envelope)에 있는 특정한 당단백질과 신경세포체의 수용체가
결합한 후 주로 세포내이입(endocytosis)에 의하여 세포체내로 들어가서 DNA를 방출하고 핵내에서 복제, 증식되고 axoplasmic
flow를 따라 신경연접으로 방출되어 이에 접하는 다음 단계의 신경세포로 건너가는 것(transsynaptic transport)으로 추측되고
있다.1)2)
이들 pseudorabies 바이러스에는 돼지에서 치명적인 간질환을 일으키는 야생형의 Becker strain과 약독화시킨 Bartha
strain이 있다. Bartha strain은 병독성을 나타내는데 필요한 몇종의 당단백질이 소실된 것으로 백신용으로도 쓰여진 바가 있으나,
사람에게는 감염된 보고가 없어서 비교적 안전하게 실험에 사용할 수 있으며 전자현미경하에서의 그 구조가 독특하여
특정 염색을 하지 않아도 주변 세포소기관과 쉽게 감별이 된다는 장점이 있다.1)2)
앞에서 언급하였던 형광물질이나 HRP 등의 추적자를 이용한 방법들은 추적자의 한계로 인해 상위 신경핵간의 연속적
신경연결을 규명하지는 못 하나 지금까지 추적된 부위는 본 실험결과와 어느 정도 부합하고 있다. 일반적으로 안면신경핵은 안면근육부위의 일측성
국소조직체(ipsilateral topographic organization)이며 중뇌세포들은 안면신경에 직접적으로 영향을 미치는 고유감각성섬유라고
알려져있다. 하지만 본 실험결과에서는 양측성으로 양성반응을 보이고 있으며, 안면신경에 주입하였는데 삼차신경핵등에서도 양성으로 나타났다.
이것은 바이러스가 반대측으로 이동하는 교차로(crossover)현상으로 보이며,1)6)
그로 인해 반대측도 같은 주행방향을 보이고 있었다. 또한 인근 주위핵으로도 양성반응을 보이는 것은 최근 안면신경의 절단에도 불구하고 HRP
주입시 중뇌세포에도 섭취(uptake)가 되어 안면신경핵과 중뇌삼차신경핵체계의 일부사이에는 다수의 신경경로(multineural pathway)가
존재한다고 보고되고 있고,8)
쥐나 고양이 등의 하부뇌간에는 분지성축삭(branching axons)에 의해 구강안면운동핵(삼차운동신경핵, 안면신경 그리고 설하신경핵)의
양측으로 투사하는 전운동성 중간신경세포체들이 있으며, 그러한 신경세포체들은 연수그물망, 삼차운동신경핵주위, 팔옆핵주위, 그리고 중뇌그물망에서도
산재해 있다고 보고4)6)8)17)된
것으로 충분히 설명될 수 있다. 그리고 1979년 Takeuchi등6)이
안면신경핵의 내측부위에 HRP를 주입하여 중뇌의 융기옆부위(midbrain paralemniscal regions)에 있는 많은 신경세포체들을
표지(labelled)할 수 있었고, 안면신경핵의 전반에 걸쳐 HRP 주입한 결과 배측부분과 함께 내측전정핵과 상부전정핵에서 표지되는 신경세포체들이
관찰되었다. 그러나 최근 안면신경핵의 등쪽아핵에 국한하여 주입하니 외측전정핵의 안쪽부위에 있는 소수의 전정신경세포체들이 관찰되었다.18)
그래서 안면신경이 기시하는 안면신경의 운동핵을 5개의 분지(subdivision)로 분류하였고,4)
또한 이들 각각의 구심돌기질(substantial afferent projection)도 다르다는 것을 증명함으로써 이러한 해부학적 경로의
차이로 각각의 기능적차이를 설명할 수 있다고 보고하였다.6)9)17)19)
본 연구에서는 안면신경핵 전체에 대한 상위신경핵으로의 추적을 관찰한 경우인데, 이러한
각각의 분지들에 대해 바이러스를 주입후 나타나는 신경경로와 비교해 볼 때 양성반응을 보이는 위치와 정도에 약간의 차이가 있었다. 이는 추적자간의
특성차이, 그리고 종래의 추적자들은 중추내에 정확히 주입해야하는 기술적문제로 인해서도 결과에 차이가 생길 수 있다고 생각되어진다. 안면신경은
서론에서 언급되었던 것처럼 운동신경과 감각신경뿐만 아니라 부교감신경섬유에 의한 누선 및 타액선의 분비도 관장하고 있다. 1980년 Contreas등12)은
쥐의 7번, 9번 그리고 10번 뇌신경에서 HRP 추적방법으로 전신경절의 부교감신경성축삭의 중추신경세포체들의 위치를 파악하였다.4)
이들 신경세포체들은 연수의 등주(dorsal column)에 집합되어 있으며 고립로핵의 문극(rostral pole)과 안면운동신경핵
사이의 소세포성그물망에 산재해 있는 것을 밝혔다. 특히 축삭신경(chorda tympani)과 고실신경(tympanic nerve)의 중추신경세포체는
고립로핵의 배측에, 그리고 대천추신경(greater superficial petrosal nerve) 원심성신경세포체는 안면운동신경핵의
문외(rostrolateral)쪽에서 확인되었다.12)
그래서 1984년 Hosoya등14)은
이들 신경들의 전신경절인 상분비핵(superior salivatory nucleus)이 뇌하수체의 하행신경섬유들과 직접적으로 연결되는 것을
증명함으로써 이 부분이 뇌하수체의 온도조절기능에 더욱 직접적으로 관여한다는 것을 제시하였다. 본 실험에서도 안면신경말초에서 추적자를 주입함으로써
이러한 해부학적 연결을 확인할 수 있었다.
1994년 Miyashita 등18)에
의하면 상구의 외측 절반이 안면신경핵과 쥐의 vibrissae 운동피질사이를 조절하는 역할을 한다고 발표하였고, 이러한 상구는 또한 안면신경핵의
간접적매개를 받아 이개운동을 관장하는 영역으로 중뇌의 융기옆부위가 이러한 연결에 관여하고 있다고 보고되었다.5)
본 연구에서는 이 영역에서 아주 약한 반응의 양성세포가 관찰되었었다. 이 또한 추적자간의 특성으로 인한 차이일 것으로 생각되어진다.
보편적으로 안면신경의 대뇌 중추신경로는 심전회(precentral gyri)의 운동피질로 알려져있고, 1991년 Yasui등20)이
고립로핵에 HRP를 주입한 결과 대뇌피질의 안와회(orbital gyrus), 하변연피질(infralimbic cortex)의 미측부분(caudal
part), 그리고 앞쪽 실비안회(anterior sylvian gyrus)의 문측(rostral part)에서 양성반응을 보인다고 발표하였는데
본 연구에서도 이 영역에서 중등도의 반응을 보이는 양성세포를 확인할 수 있었다.
주입한 바이러스의 농도와 시간을 더욱더 폭넓게 잡았을 때의 변화양상, 그리고 주위 다른 신경으로의 감염여부에 대해서는
앞으로 추가연구가 필요하리라 생각된다. 본 연구에서는 이러한 실험결과들을 통하여 안면신경의 중추신경로에 대한 전반적인 신경축을 재구성할
수 있었다.
결 론
Pseudorabies 바이러스를 흰쥐 안면신경의 말초부위에 주입한 결과 양성반응세포가 연수에서는 고립로핵, 삼차척수신경로핵
그리고 등쪽연수그물부위에서, 교뇌에서는 안면신경핵, 소세포성그물핵 그리고 상분비핵에서, 중뇌에서는 중심회와 등쪽솔기핵에서 관찰되었다. 또한
간뇌에서는 뇌실주위 지상하부핵과 등쪽시상하부구역에서, 종뇌에서는 전두엽의 안와회와 하변연피질등의 특정신경핵들에서 각각 양성반응세포들을 확인할
수 있었다. 라서 본 연구에서는 안면신경핵으로 투사하는 중추신경로의 연결과정을 확인하고, 전반적인 중추신경축을 재구성할 수 있었다(Fig.
7).
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