Ανάπτυξη Υπολογιστικών Μοντέλων Βιολογικών Νευρωνικών Δικτύων Για Τη Μελέτη Του Ρόλου Της Ισχύος Διασύνδεσης Των Νευρώνων

Abstract

Τα βασικά γάγγλια αποτελούν ένα υποσύστημα του εγκεφάλου υπεύθυνου κυρίως για κινητικές λειτουργίες. Η δράση στα βασικά γάγγλια ενός ειδικού νευροδιαβιβαστή, της ντοπαμίνης, διαμορφώνει τη λειτουργική ισορροπία των διασυνδέσεων μεταξύ των πυρήνων τους. Η έλλειψης ντοπαμίνης, που οφείλεται στο θάνατο των νευρώνων που τη συνθέτουν, προκαλεί αλλοίωση της ισορροπίας και οδηγεί στη νόσο του Πάρκινσον. Η ακριβής αλληλουχία των επιδράσεων της έλλειψης ντοπαμίνης είναι, ωστόσο, σχετικά άγνωστη. Στην παρούσα διατριβή μελετάται ο ρόλος της ισχύος διασύνδεσης των νευρώνων των βασικών γαγγλίων, η οποία θεωρείται ότι διαμορφώνεται από τη ντοπαμίνη, σε φυσιολογική και παρκινσονική κατάσταση. Για τη μελέτη των διάφορων βιολογικών μηχανισμών αναπτύχθηκαν κατάλληλα υπολογιστικά μοντέλα των βασικών γαγγλίων, ένα σε πληθυσμιακό επίπεδο και ένα πολυεπίπεδο, με συνδυασμό κυτταρικού και δικτυακού επιπέδου. Βασικός άξονας κατά το σχεδιασμό των μοντέλων ήταν η συσχέτισή τους με την υποκείμενη ανατομοφυσιολογία, που διευκολύνει τις συγκρίσεις των αποτελεσμάτων με πραγματικά δεδομένα και την εξαγωγή βιολογικά συναφών συμπερασμάτων με ενισχυμένη αληθοφάνεια. Για την ανάπτυξη των μοντέλων υιοθετήθηκε μία προσέγγιση βασισμένη σε δεδομένα, και εκτός από ποικίλα ανατομικά και φυσιολογικά δεδομένα της βιβλιογραφίας, χρησιμοποιήθηκαν ακόμα πραγματικές διεγχειρητικές καταγραφές δυναμικών τοπικού πεδίου από ασθενείς με νόσο του Πάρκινσον. Η σημαντικότερη συνεισφορά της διατριβής είναι η διατύπωση και ο έλεγχος μίας νέας υπόθεση για τον τρόπο επίδρασης της ισχύος διασύνδεσης στην παρκινσονική λειτουργία των βασικών γαγγλίων: όχι μόνο το πλάτος, αλλά και η διάρκεια των μετασυναπτικών δυναμικών, που μαζί καθορίζουν την ισχύ των συνάψεων μεταξύ των νευρώνων, εξαρτώνται από τα επίπεδα ντοπαμίνης στο σύστημα. Η μεταβολή που υφίστανται τόσο το πλάτος όσο και η διάρκεια από την έλλειψη ντοπαμίνης εξηγεί, σύμφωνα με τον έλεγχο της υπόθεσης από τις προσομοιώσεις των υπολογιστικών μοντέλων, την εμφάνιση των κύριων εκφάνσεων της νόσου του Πάρκινσον, και ιδιαίτερα της κορυφής στη βήτα περιοχή συχνοτήτων των δυναμικών τοπικού πεδίου του υποθαλαμικού πυρήνα. Η υπόθεση υποστηρίζεται τόσο από το μοντέλο πληθυσμιακού επιπέδου, όσο και από το πολυεπίπεδο μοντέλο. Για το πρώτο ακολουθείται επιπλέον μία προσέγγιση προσαρμογής στις διαθέσιμες καταγραφές, αναδεικνύοντας περαιτέρω το ρόλο του πλάτους και της διάρκειας των μετασυναπτικών δυναμικών στη σύγκριση των πραγματικών σημάτων με αυτά που παράγονται από το μοντέλο. Επιπλέον, με βάση το πολυεπίπεδο μοντέλο παρουσιάζεται μία εκτίμηση της επίδρασης των μελετούμενων συναπτικών μεταβολών στη μακροσκοπική κινητική ικανότητα. Σε ανθεκτικές μορφές της νόσου του Πάρκινσον, η μόνη λύση για την ανακούφιση των ασθενών από τα συμπτώματα είναι η ενδοκρανιακή νευροχειρουργική παρέμβαση. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση της μεθόδου της εν τω βάθει εγκεφαλικής διέγερσης έχει επικρατήσει, λόγω της αποτελεσματικότητάς της και των ήπιων επιπλοκών. Ωστόσο, οι ακριβείς λειτουργικές αιτίες της επιτυχίας της μεθόδου, παρά την ευρεία πρακτική εφαρμογή, δεν είναι γνωστές με βεβαιότητα. Στο πλαίσιο της διατριβής έχουν ακόμα ελεγχθεί, με τη βοήθεια των υπολογιστικών μοντέλων, οι βασικότερες υποθέσεις για τον τρόπο επίδρασης της διέγερσης στη λειτουργία των βασικών γαγγλίων. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι πιο πιθανή είναι η εκδοχή της πρόκλησης αναστολής στα σώματα των νευρώνων, σε συνδυασμό με ευόδωση της αξονικής ενεργοποίησής τους. Πέρα από τη νόσο του Πάρκινσον, τα βασικά γάγγλια θεωρείται ότι συμμετέχουν στην ανάδειξη των παθοφυσιολογικών εκφάνσεων της επιληψίας. Με τη βοήθεια του μοντέλου πληθυσμιακού επιπέδου που αναπτύχθηκε, εξετάζεται ο ρόλος των βασικών γαγγλίων συγκεκριμένα στη διάδοση των επιληπτικών κρίσεων, καθώς και η αναμενόμενη επίδραση της εν τω βάθει εγκεφαλικής διέγερσης σε αυτά για τον έλεγχό της.