Ανάπτυξη υπολογιστικού μοντέλου για τη μελέτη ηλεκτροφυσιολογίας του φαινομένου της Kinesia Paradoxa

Abstract

This dissertation is about “Kinesia Paradoxa” (KP) a phenomenon presented in Parkinson’s disease patients who generally suffer from bradykinesia and Freezing of Gait (FOG) but under certain circumstances exhibit a sudden, brief period of mobility. According to the literature, KP has been observed as a response of life threatening events, various external stimuli, treatment with L-DOPA drug or a combination of them. The theories that have been developed explaining KP are focusing on three basic brain circuits: The Noradrenergic System, The basal ganglia circuit and the cerebellum. After a brief report about the Physiology, Role and Status of these systems on PD , we tried to locate interconnections between these circuits. Basal Ganglia and the Noradrenergic System both were found to be connected to the Cerebellum while the Noradrenergic System is not connected with the Basal Ganglia. In the next stage of our research, the diagrammatic modeling of the phenomenon was captured as an Information System (I/O/Input/Output). Then we investigated the effect of various parameters (Fear, Chemical Substances, Herbal Substances and Hyperbaric Oxygen Therapy -HBOT) on the three aforementioned brain circuits. Following the above investigation, our study focused on Hyperbaric Oxygen Therapy (HBOT).Several medical centers and clinics worldwide apply HBOT to Parkinson's patients even though it has not received official approval (FDA, ECHM) as a treatment of PD. In this context, we decided to focus our study on Hyperbaric Oxygen Therapy, giving it a different perspective, considering it to be of great research interest. Then, bearing in mind the three Cerebral Circuits identified and described in previous sections, the next stage included the investigation of the effect of HBOT on these Circuits. An improvement in basal ganglia blood flow is recorded as well as a significant effect on the cerebellum. In particular - with regard to the locus-cerebellum connection under the influence of HBOT- we concluded the formulation of the "Noradrenaline Hypothesis" according to which we believe that the restoration of neurochemical balance in PD patients under the influence of HBOT could be interpreted. More specifically, PD patients show a loss of noradrenergic neurons in the substantia nigra and a lack of noradrenaline resulting in reduced mobility. After HBOT an increase in Noradrenaline production is observed and the neurochemical balance is restored, thus mobility. We therefore argue that this could be a causal interpretive approach to how HBOT interferes with the involved brain circuits. The design of further research and clinical studies is a key factor in the direction of strengthening this approach. In the next stage, our research approach turned to the effect of HBOT on the change of gene expression in PD patients. In the first phase we captured a list of individual genes that are proven to be affected (after HBOT for various diseases) and in the second phase we selected sample genes and proved that they are interconnected with Parkinson's Disease. Next, we proceeded with the use of Machine Learning Techniques to investigate the identification of key genes associated with PD patients and HBOT based on a Dataset of scRNA-seq data that included a total of 4,495 cells. First, the classification performance (with different Classifiers) using the top 100 genes on differentiating the healthy samples from the Parkinson's disease samples was examined to assess their significance. In addition, we examined how HBOT affects each of the top 100 genes one by one which directed us to specific genes such as TXNIP, ELAVL4 XBP1. Then, after checking how our selected genes fit into larger groups of genes and how they might be linked to other diseases or treatments we highlighted the importance of the role of the term "Protein Binding" which acting as a node, this term indicates a network of interactions, with many genes such as MAP2, CAP2 and WSB1.By combining differential gene expression analysis with machine learning techniques, we identified key genes (such as MAP2, SLIT2, CAP2, DDC, WSB1, MYOF) that play an important role in PD and may be affected by HBOT. Finally, using a visual gene magnifier we showed how our top genes are connected to each other along with their associated gene ontologies.

Οι Νευροεκφυλιστικές ασθένειες που χαρακτηρίζονται από απώλεια νευρικών κυττάρων σε συγκεκριμένες ανατομικές περιοχές καθώς και εκφύλιση νευρώνων αποτελούν σημαντική αιτία νοσηρότητας και θνησιμότητας. Η ασθένεια Πάρκινσον είναι η δεύτερη πιο συχνά εμφανιζόμενη νευροεκφυλιστική νόσος μετά την ασθένεια Αλτσχάιμερ. Κύριο χαρακτηριστικό σύμπτωμα της νόσου του Πάρκινσον είναι οι διαταραχές βάδισης με χαρακτηριστικότερη τη βραδυκινησία. Οι πτώσεις συχνά αποτελούν αιτία θανάτου των Παρκινσονικών ασθενών. Συνεπώς, το φαινόμενο της «Παράδοξης Κίνησης»- κατά το οποίο παρατηρείται μία σύντομη «εξαφάνιση» του παρκινσονισμού - παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον προς μελέτη και αποτέλεσε το έναυσμα της εργασίας αυτής. Υπό κάποιες συνθήκες ομαλοποιείται η βάδιση των ασθενών. Οι συνθήκες αυτές κατηγοριοποιήθηκαν σε τρεις ομάδες: Απειλητικές για τη ζωή καταστάσεις, φαρμακευτική αγωγή, υπαγωγή σε Ερεθίσματα. Αναφέρονται τρεις πιθανές θεωρητικές ερμηνευτικές προσεγγίσεις που εμπλέκουν τρία εγκεφαλικά κυκλώματα : το Νοραδρενεργικό Σύστημα, τα Βασικά Γάγγλια και την Παρεγκεφαλίδα. Κατόπιν σύντομης βιβλιογραφικής αναφοράς της φυσιολογίας των συστημάτων αυτών καθώς και της αποτύπωσης της λειτουργίας τους στους πάσχοντες από Πάρκινσον, διερευνήθηκαν οι μεταξύ τους διασυνδέσεις. Διαπιστώθηκε ότι τόσο τα Βασικά Γάγγλια όσο και το Νοραδρενεργικό Σύστημα συνδέονται με την Παρεγκεφαλίδα ενώ το Νοραδρενεργικό Σύστημα δεν συνδέεται με τα Βασικά Γάγγλια. Στο επόμενο στάδιο της έρευνάς μας αποτυπώθηκε η διαγραμματική μοντελοποίηση του φαινομένου ως Σύστημα Εισόδων/ Εξόδου (Πληροφοριακό Σύστημα). Κατόπιν διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων (Φόβος, Χημικές Ουσίες, Φυτικές Ουσίες και Υπερβαρικό Οξυγόνο) πάνω στα τρία προαναφερόμενα εγκεφαλικά κυκλώματα (κυρίως στο νοραδρενεργικό) ώστε να διαπιστωθεί ο βαθμός επιρροής τους. Κατόπιν της ανωτέρω διερεύνησης, η μελέτη μας επικεντρώθηκε στην Θεραπεία Υπερβαρικού Οξυγόνου (ΘΥΒΟ). Τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα της Θεραπείας Υπερβαρικού Οξυγόνου (ΘΥΒΟ) στην αντιμετώπιση του Παρκινσονισμού είχαν αρχίσει να διαφαίνονται από έρευνες στην Ρωσία ήδη από το 1989. Επίσης, αρκετά ιατρικά κέντρα και κλινικές παγκοσμίως εφαρμόζουν αυτήν την μέθοδο στους Παρκινσονικούς παρότι δεν έχει λάβει επίσημη έγκριση (FDA, ECHM) ως θεραπεία της Νόσου. Στα πλαίσια αυτά αποφασίσαμε να επικεντρώσουμε την μελέτη μας γύρω από την Θεραπεία Υπερβαρικού Οξυγόνου προσδίδοντας μια διαφορετική προοπτική, θεωρώντας ότι παρουσιάζει εξαιρετικό ερευνητικό ενδιαφέρον .Αρχικά παρατίθεται μια ολοκληρωμένη γενική παρουσίαση της Θεραπείας με Υπερβαρικό Οξυγόνο: Ιστορική Αναδρομή, Ενδείξεις-Αντενδείξεις-Παρενέργειες, Πρωτοκόλλα Εφαρμογής, Μηχανισμοί Δράσης και Αρχές Λειτουργίας. Προκειμένου να διερευνηθεί το υπόστρωμα λειτουργίας του Υπερβαρικού Οξυγόνου, αναζητήθηκε και παρουσιάζεται βιβλιογραφία σχετική με την εφαρμογή αυτής της θεραπείας στην Νόσο Πάρκινσον, στις Εγκεφαλικές Τραυματικές Κακώσεις (Traumatic Brain Injury) και στην Σκλήρυνση Κατά Πλάκας. Και στις τρεις περιπτώσεις η δράση της ΘΥΒΟ αναδεικνύεται ευεργετική. Ακολούθως, έχοντας υπόψιν τα τρία Εγκεφαλικά Κυκλώματα που ταυτοποιήθηκαν και περιγράφηκαν σε προηγούμενες ενότητες, το επόμενο στάδιο περιέλαβε τη διερεύνηση της επίδρασης ΘΥΒΟ στα Κυκλώματα αυτά. Καταγράφεται βελτίωση αιμάτωσης Βασικών γαγγλίων καθώς και σημαντική επίδραση στην παρεγκεφαλίδα. Ειδικότερα- σε ότι αφορά στην διασύνδεση Υπομέλανα Τόπου–Παρεγκεφαλίδας υπό την επίδραση ΘΥΒΟ- καταλήξαμε συμπερασματικά στην διατύπωση της «Υπόθεση Νοραδρεναλίνης» σύμφωνα με την οποία θεωρούμε ότι θα μπορούσε να ερμηνευτεί η αποκατάσταση νευροχημικής ισορροπίας στους PD πάσχοντες υπό επίδραση ΘΥΒΟ. Πιο συγκεκριμένα, στους PD πάσχοντες διαπιστώνεται απώλεια Νοραδρενεργικών νευρώνων στον Υπομέλανα Τόπο και προκύπτει έλλειμμα νοραδρεναλίνης που έχει ως συνέπεια μειωμένη κινητικότητα. Κατόπιν ΘΥΒΟ, παρατηρείται αύξηση παραγωγής Νοραδρεναλίνης και αποκαθίσταται η νευροχημική ισορροπία άρα και η κινητικότητα. Συνεπώς υποστηρίζουμε ότι αυτή θα μπορούσε να αποτελεί αιτιολογική ερμηνευτική προσέγγιση του τρόπου με τον οποίο παρεμβαίνει η ΘΥΒΟ στα εμπλεκόμενα εγκεφαλικά κυκλώματα. Ο σχεδιασμός περαιτέρω ερευνών και κλινικών μελετών αποτελεί βασικό παράγοντα προς την κατεύθυνση ενδυνάμωσης της προσέγγισης αυτής. Στο επόμενο στάδιο στράφηκε η ερευνητική μας προσέγγιση στην επίδραση της ΘΥΒΟ στην αλλαγή της γονιδιακής έκφρασης στους PD πάσχοντες η οποία βρίσκεται σε πρώιμα στάδια. Σε πρώτη φάση αποτυπώσαμε λίστα μεμονωμένων γονιδίων που αποδεδειγμένα επηρεάζονται (κατά την ΘΥΒΟ γενικά για διάφορες ασθένειες) και σε δεύτερη φάση επιλέξαμε δειγματοληπτικά γονίδια και αποδείξαμε ότι διασυνδέονται με την Νόσο του Πάρκινσον. Ακολούθως, προβήκαμε με την χρήση Τεχνικών Μηχανικής Μάθησης στην διερεύνηση της ταυτοποίησης βασικών γονιδίων που συσχετίζονται με PD πάσχοντες και ΘΥΒΟ με βάση Dataset από scRNA-seq data που περιελάμβανε συνολικά 4.495 κύταρα. Αρχικά, εξετάστηκε η απόδοση ταξινόμησης (με διαφορους Ταξινομητές) χρησιμοποιώντας τα 100 βασικά γονίδια σχετικά με τη διαφοροποίηση των υγειών δειγμάτων σε σχέση με τα δείγματα της νόσου του Πάρκινσον προκειμένου να αξιολόγηθεί η σημασία τους. Επιπλέον, εξετάσαμε πώς η ΘΥΒΟ επηρεάζει κάθε ένα από τα 100 κορυφαία γονίδια ένα προς ένα γεγονός που μας κατεύθυνε σε συγκεκριμένα γονίδια όπως π.χ TXNIP, ELAVL4 XBP1. Στη συνέχεια,κατόπιν έλεγχων σχετικά με τον τρόπο που τα επιλεγμένα γονίδια μας ταιριάζουν σε μεγαλύτερες ομάδες γονιδίων και πώς μπορεί να συνδέονται με άλλες ασθένειες ή θεραπείες αναδείξαμε τη σηαμσία του ρόλου του όρου «Δέσμευση Πρωτεϊνών» που λειτουργώντας ως κόμβος, αυτός ο όρος υποδηλώνει ένα πλέγμα αλληλεπιδράσεων, με πολλά γονίδια όπως τα MAP2, CAP2 και WSB1. Συνδυάζοντας την ανάλυση διαφορικής γονιδιακής έκφρασης με τεχνικές μηχανικής μάθησης, εντοπίσαμε βασικά γονίδια, όπως τα MAP2, SLIT2, CAP2, DDC, WSB1 και MYOF, που παίζουν σημαντικό ρόλο στην PD και μπορεί να επηρεάζονται από την ΘΥΒΟ.Τέλος, με χρήση ενός οπτικού εργαλείου μεγέθυνσης των γονιδίων δείξαμε πώς τα κορυφαία γονίδια μας συνδέονται μεταξύ τους μαζί με τις σχετικές οντολογίες γονιδίων.