Προσομοίωση της φυσιολογίας των βασικών γαγγλίων στη νόσο του Πάρκινσον μέσω ενός λεπτομερούς πολυεπίπεδου υπολογιστικού μοντέλου

Abstract

Τα βασικά γάγγλια παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλές κινητικές διαταραχές. Μία από αυτές είναι η νόσος του Πάρκινσον, που προκαλείται από τον εκφυλισμό των κυττάρων που παράγουν έναν ειδικό νευροδιαμορφωτή, την ντοπαμίνη. Ωστόσο, οι ακριβείς νευροπαθολογικοί μηχανισμοί που συντελούνται στη νόσο του Πάρκινσον δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η εξερεύνηση και επέκταση ενός ρεαλιστικού πολυεπίπεδου υπολογιστικού μοντέλου των βασικών γαγγλίων με σκοπό τη μελέτη του ρόλου των βασικών γαγγλίων στη νόσο του Πάρκινσον. Η μελέτη επικεντρώνεται στην επίδραση της μεταβολής της ισχύος των μετασυναπτικών δυναμικών, η οποία θεωρείται ότι διαμορφώνεται από τη ντοπαμίνη, σε φυσιολογική και παρκινσονική κατάσταση. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η υπόθεση ότι η ντοπαμίνη διαμορφώνει την ισχύ των μετασυναπτικών δυναμικών, διαμορφώνοντας τα όχι μόνο σε πλάτος, αλλά και σε διάρκεια. Η υπόθεση αυτή επιβεβαιώνεται από τις προσομοιώσεις, καθώς η χαρακτηριστικότερη παρκινσονική έκφραση, η κορυφή στην βήτα περιοχή συχνοτήτων των φασμάτων των δυναμικών τοπικού πεδίου του υποθαλαμικού πυρήνα, εμφανίζεται αν και μόνο αν μεταβληθεί τόσο το πλάτος, όσο και η διάρκεια των μετασυναπτικών δυναμικών. Η υλοποίηση του υπολογιστικού μοντέλου και η διεξαγωγή των προσομοιώσεων έγιναν με την βοήθεια του περιβάλλοντος προσομοίωσης NEURON.

The basal ganglia play a central role in several movement disorders. One of them is Parkinson’s disease, which is caused by the degeneration of the cells that produce a special neuromodulator called dopamine. However, the exact neuropathological mechanisms underlying Parkinson’s disease are yet to be completely understood. The subject of this thesis is to explore and extend a detailed multi-level computational model of the basal ganglia, in order to study their role in Parkinson's disease. The study focuses on the effect of changes in the power of postsynaptic potentials, which is considered to be formed by dopamine, both in normal and parkinsonian state. More specifically, the considered hypothesis claims that dopamine modulates postsynaptic potentials, by altering, not only their amplitude, but also their duration. This hypothesis is confirmed by simulations, since the characteristic expression of Parkinson’s disease, the peak at the beta frequency range of the power spectral density function of local field potentials of the subthalamic nucleus, occurs if, and only if, the amplitude and the duration of postsynaptic potentials are changed. NEURON simulation environment was used in order to develop the computational model and run simulations.