Ανάπτυξη Υπολογιστικών Και Μαθηματικών Μοντέλων Βιολογικών Νευρώνων Για Τη Μελέτη Και Τον Έλεγχο Της Παθοφυσιολογίας Της Κίνησης

Abstract

Οι βασικοί πυρήνες είναι μια συλλογή διασυνδεδεμένων υποφλοιικών πυρήνων που εμπλέκονται στις κινητικές, τις συνειρμικές και τις μεταιχμιακές διεργασίες. Ο υποθαλαμικός πυρήνας αποτελεί τη μόνη ευοδωτική δομή των βασικών πυρήνων. Δεδομένης της κεντρικής θέσης του συγκεκριμένου πυρήνα και του επηρεασμού της λειτουργίας πολλών άλλων βασικών πυρήνων, πιστεύεται ότι διαδραματίζει σπουδαίο ρόλο στην επεξεργασία της πληροφορίας εντός των βασικών γαγγλίων. Στην παρούσα διατριβή, τεχνικές υπολογιστικής νευροεπιστήμης συνθέτουν ένα πλαίσιο έρευνας της λειτουργίας των βασικών γαγγλίων και της δράσης της εν τω βάθει διέγερσης του εγκεφάλου, σε κυτταρικό επίπεδο. Ενδοπυρηνικές μικροηλεκτροδιακές καταγραφές ασθενών με νόσο Parkinson που υπόκεινται στην εγχειρητική τοποθέτηση ενός εν τω βάθει διεγέρτη χρησιμοποιούνται για την απόκτηση των δυναμικών τοπικού πεδίου (ΔΤΠ) της περιοχής πέριξ του ηλεκτροδίου. Αναπτύσσονται μοντέλα του υποθαλαμικού πυρήνα, το καθένα εκ των οποίων αναφέρεται σε διαφορετικά λειτουργικά επίπεδα των δομών του εγκεφάλου και είναι εμπνευσμένο από τη φυσιολογία του νευρώνα. Συγκεκριμένα, μοντέλα Hammerstein-Wiener (H-W), Izhikevich καθώς και μαθηματικά μοντέλα, τα οποία δέχονται, για πρώτη φορά, ως είσοδο τα ΔΤΠ, προβλέπουν τη νευρωνική δραστηριότητα ενός νευρώνα και ενός δικτύου από νευρώνες.Προκειμένου να διερευνηθούν οι διάφορες όψεις της επεξεργασίας της πληροφορίας, τα μοντέλα σχεδιάζονται και ελέγχονται ως προς τη δυνατότητα πρόβλεψης διαφόρων μορφών της νευρωνικής δραστηριότητας, τα κυριότερα των οποίων είναι ο χρονισμός των δυναμικών ενέργειας (ΔΕ), ο ρυθμός νευρωνικών εκπολώσεων και τα μεσοδιαστήματα των δυναμικών ενέργειας. Μέσα από την ολοκλήρωση των αποτελεσμάτων της πολλαπλής μοντελοποίησης, συντελείται μια συνεκτική ματιά των δυνατοτήτων επεξεργασίας του υποθαλαμικού πυρήνα . Τα μοντέλα είναι σε θέση να προσομοιώσουν όλες τις μορφές της νευρωνικής δραστηριότητας του υποθαλαμικού πυρήνα, η οποία εκτείνεται από την παρουσία ενός ΔΕ μέχρι την αρχή και το τέλος μιας ριπής από ΔΕ. Μια τέτοια ριπή θεωρείται ότι λειτουργεί ως "σήμα αναστολής" των πυρήνων-στόχων των βασικών γαγγλίων. Τα μοντέλα χρησιμοποιούνται και ως περιβάλλον προσομοίωσης της δράσης της εν τω βάθει διέγερσης σε κυτταρικό επίπεδο. Δύο νέες προσεγγίσεις αναπτύσσονται προς το σκοπό αυτό. Σύμφωνα με την πρώτη, ένας παλμός εν τω βάθει διέγερσης εγκεφάλου υπερτίθεται στην είσοδο των μοντέλων Izhikevich ενώ σύμφωνα με τη δεύτερη, προσομοιώνεται η μείωση της ενέργειας στη βήτα συχνότητα των ΔΤΠ που οδηγούν τα μοντέλα H-W. Τα αποτελέσματα των δύο ξεχωριστών προσομοιώσεων ταυτίζονται μεταξύ τους και επιτρέπουν την υιοθέτηση της μιας εκ των δύο βασικών θεωριών δράσης της εν τω βάθει διέγερσης σύμφωνα με την οποία "καλύπτεται" η παθολογική δραστηριότητα του υποθαλαμικού πυρήνα μέσω της μεταβολής της ακολουθίας ΔΕ που χαρακτηρίζει τη νόσο Parkinson.