Μελέτη της επίδρασης της εν τω βάθει διέγερσης σε επίπεδο νευρώνα, μέσω της οδήγησης μοντέλων Hammerstein - Wiener με τροποποιημένα στη συχνότητα δυναμικά τοπικού πεδίου

Abstract

Η συχνοτική ανάλυση των δυναμικών τοπικού πεδίου (ΔΤΠ) τα οποία λαμβάνονται από εγκεφαλικούς πυρήνες που ανήκουν στα βασικά γάγγλια, αποκαλύπτει μία αιχμή ενέργειας στην περιοχή των βήτα συχνοτήτων. Πρόσφατες κλινικές έρευνες απέδειξαν ότι αυτή η αιχμή ενέργειας στη βήτα συχνότητα είναι παρούσα στο χρονικό διάστημα κατά το οποίο ο ασθενής παραμένει ακίνητος στο χειρουργικό κρεβάτι ενώ εξαλείφεται με την κίνηση ή τη δράση της εν τω βάθει διέγερσης.

Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετάται η επίδραση της εν τω βάθει εγκεφαλικής διέγερσης στην παθολογική συμπεριφορά ενός νευρώνα. Η μελέτη συνίσταται στην τροποποίηση του σήματος οδήγησης μη-γραμμικών εν σειρά μοντέλων, τύπου Hammerstein-Wiener (H-W), τα οποία έχουν εκπαιδευτεί ώστε να προβλέπουν τα δυναμικά ενέργειας (ΔΕ) με βάση τα ΔΤΠ. Τα μοντέλα H-W οδηγούνται με δυναμικά τοπικού πεδίου στα οποία έχει εξαλειφθεί η ενέργεια στη βήτα συχνότητα και μελετώνται ως προς την έξοδό τους με βάση στατιστικές πρώτης τάξης του ρυθμού των ΔΕ.

Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιτρέπουν την υιοθεσία μιας βασικής υπόθεσης δράσης της εν τω βάθει διέγερσης σύμφωνα με την οποία μεταβάλλεται η δραστηριότητα του δικτύου των βασικών γαγγλίων μέσω της απόκρυψης του παθολογικού προτύπου πυροδότησης το οποίο πιστεύεται ότι χαρακτηρίζει τη νόσο του Parkinson.

Τα δεδομένα λαμβάνονται από ενδοκρανιακές καταγραφές εντός του υποθαλαμικού πυρήνα ασθενών με νόσο Parkinson κατά τη διαδικασία της χειρουργικής τοποθέτησης ενός νευροδιεγέρτη στη Νευροχειρουργική Κλινική του Νοσοκομείου "Ευαγγελισμός" (διευθυντής: Καθ. Δαμιανός Σακάς).

Frequency analysis of local field potentials (LFPs) acquired from brain nuclei of the basal ganglia, reveals a beta band energy peak. Recent clinical studies show that the beta band peak is present in time periods in which patients are immobile, and is eliminated under motion or under the effect of deep brain stimulation (DBS).

The diploma thesis studies the effect of DBS in the behavior of pathological neuron. The study uses a modification of the driving signal of non-linear models named Hammerstein-Wiener (H-W), trained to predict the action potentials (AP) using the LFPs. The H-W models are driven using LFPs with low energy in the beta band frequencies and their output is examined, based on first order statistics of the AP rate.

The results of the simulation enforces us to adopt a basic assumption for the effect of the deep barin stimulation according to which the basal ganglia network's activity is modified through the masking of the pathological firing pattern believed to be a characteristic sign of the Parkinson's disease.

Data are acquired using intracranial recordings inside the subthalamic nucleus of patients with Parkinson's disease during the surgical procedure of placing the DBS lead, at the Neurosurgery Clinic of Evangelismos Hospital (director: Professor Damianos Sakas).