Μελέτη της υπόθεσης ότι τα βασικά γάγγλια, μία κεντρική δομή του εγκεφάλου, συμμετέχει ενεργά στην επιλογή της κατάλληλης δράσης. Προσπάθεια μοντελοποίησης της λειτουργίας των βασικών γαγγλίων κια προσομοίωση παθολογικών καταστάσεων του ανθρώπινου εγκεφάλου. / Stydy of the hypothesis that the basal ganglia, a major structure in the mamalian brain, plays a crusial role in the selection of the appropriate action. In this direction we try to simulate the functionality of the basal ganglia as well the pathophysiological conditions (Parkinson, Huntington disease) related to them.

Μελετήθηκαν αλληλεπιδράσεις μεταξύ της παρεγκεφαλίδας και των βασικών γαγγλίων στον εγκέφαλο ενήλικων μυών. Για τη μελέτη της επίδρασης της παρεγκεφαλίδας στα βασικά γάγγλια εξετάστηκαν οι επιπτώσεις της εκφύλισης του παρεγκεφαλιδικού φλοιού στη νευροχημεία των βασικών γαγγλίων. Χρησιμοποιήθηκαν δύο μοντέλα εκφύλισης: το μεταλλαγμένο στέλεχος μυός PCD που εμφανίζει πλήρη εκφύλιση των κυττάρων Purkinje και μύες με μερική δεξιά εκφύλιση του παρεγκεφαλιδικού φλοιού μετά από ένεση καϊνικού οξέος στην περιοχή του παρασκώληκα. Ιn vitro ποσοτική αυτοραδιογραφία έδειξε αναβάθμιση των υποδοχέων ντοπαμίνης D1 στα βασικά γάγγλια και των δύο μοντέλων εκφύλισης. Για τη μελέτη της επίδρασης των βασικών γαγγλίων στην παρεγκεφαλίδα μελετήθηκε ο μεταφορέας της ντοπαμίνης στον παρεγκεφαλιδικό ιστό μυών με μεθόδους ποσοτικής αυτοραδιογραφίας, μεμβρανικής δέσμευσης και ανοσοϊστοχημείας. Τα αποτελέσματα έδειξαν την ύπαρξη, την ανατομική κατανομή και τις ιδιότητες του μεταφορέα της νοτπαμίνης στην παρεγκεφαλίδα. / The study of the interactions between the cerebellum and the basal ganglia was the aim of this thesis. To study cerebellar influences on the basal ganglia I investigated the effects of cerebellar cortical degeneration on basal ganglia neurochemistry. Two models of cerebellar degeneration were used: the mutant mouse strain \\\"Purkinje cell degenaration\\\" that completely lacks Purkinje cells, and mice with partial Purkije cell lesion after kainic acid injections in the right paravermis. In vitro quantitative receptor autoradiography showed an up-regulation of D1 dopamine receptors in the basal ganglia of both cerebellar degeneration models. This may reflect a compensatory adaptation. To study basal ganglia influences on the cerebellum I characterized the dopamine transporter of the mouse cerebellum by using receptor binding and determined its anatomical distribution by using receptor autoradiography and immunoistochemistry.

Η παρούσα διατριβή ασχολήθηκε με τη μελέτη της έκφρασης των υπομονάδων των υποδοχέων του γλουταμινικού οξέος και του γ-αμινοβουτυρικού οξέος (GABA) στα βασικά γάγγλια και τον φλοιό των εγκεφαλικών ημισφαιρίων του μυός weaver. Παράλληλα, μελετήθηκε η έκφραση των νευροπεπτιδίων εγκεφαλίνης και δυνορφίνης στα βασικά γάγγλια του μυός weaver. O μυς weaver χαρακτηρίζεται από προοδευτική, γενετικά επαγόμενη εκφύλιση των ντοπαμινεργικών κυττάρων του μεσεγκεφάλου, κυρίως αυτών οι οποίοι καταλήγουν στο ραβδωτό σώμα. Για αυτόν τον λόγο, θεωρείται ένα καλό μοντέλο της νόσου Parkinson και η μελέτη των νευροχημικών μεταβολών που συμβαίνουν στον εγκέφαλο του παραπάνω μυός, αποτελεί πολύτιμο εργαλείο για τη διερεύνηση των παθογενετικών μηχανισμών της νόσου. Mε την τεχνική του υβριδισμού in situ, προσδιορίστηκαν τα επίπεδα mRNA των υπομονάδων z1, ε1 και ε2 του υποδοχέα NMDA, των υπομονάδων KA2 και GluR6 του υποδοχέα καϊνικού οξέος, των υπομονάδων α1, α2, α4, β2 και β3 του υποδοχέα GABAA, καθώς και των πρόδρομων πολυπεπτιδίων προ-προεγκεφαλίνη και προδυνορφίνη. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε φυσιολογικούς μύες (+/+) και μύες weaver (wv/wv), στις ηλικίες των 26 ημερών, 3 μηνών και 6 μηνών μετά τη γέννηση. Όσον αφορά στους υποδοχείς του γλουταμινικού οξέος, τα αποτελέσματά μας υπέδειξαν αύξηση στην έκφραση των υπομονάδων z1, ε2, ΚΑ2 και GluR6 στο ραβδωτό σώμα των μυών weaver, σε σχέση με τους φυσιολογικούς. Η αύξηση στο mRNA των υπομονάδων z1, ε2 και GluR6 παρατηρήθηκε μόνο στην ηλικία των 6 μηνών, ενώ το mRNA της υπομονάδας KA2, παρουσίασε αύξηση και στις τρεις ηλικίες που μελετήθηκαν. Οι αυξήσεις της έκφρασης των υπομονάδων z1, ε2, ΚΑ2 και GluR6 συμφωνούν και πιθανόν εξηγούν τις αυξήσεις στα επίπεδα των θέσεων δέσμευσης για τους υποδοχείς NMDA και μη-NMDA, οι οποίες έχουν βρεθεί από παλαιότερες μελέτες του εργαστηρίου μας στο ραβδωτό σώμα των μυών weaver ηλικίας 6 μηνών. Με βάση βιβλιογραφικά δεδομένα, υποστηρίζουμε ότι η καθυστερημένη αύξηση στην έκφραση των υπομονάδων z1, ε2 και GluR6 κατά πάσα πιθανότητα συντελείται μέσω επαγωγής του μεταγραφικού παράγοντα ΔfosB, σε απόκριση προς τη μείωση της ντοπαμίνης. Στον σωματοαισθητικό φλοιό των μυών weaver ηλικίας 26 ημερών, παρατηρήθηκε αύξηση στην έκφραση των υπομονάδων z1, ε1, ε2 και KA2, η οποία θα μπορούσε να οφείλεται στη μειωμένη θαλαμοφλοιϊκή γλουταμινεργική είσοδο. Όσον αφορά στους υποδοχείς GABAA, παρατηρήθηκε αύξηση στα επίπεδα mRNA των υπομονάδων α4 και β3, στο ραβδωτό σώμα των μυών weaver ηλικίας 6 μηνών, η οποία συμφωνεί και μπορεί να εξηγήσει την αύξηση στα επίπεδα των θέσεων δέσμευσης για τους υποδοχείς GABAA, η οποία έχει βρεθεί σε προηγούμενη μελέτη του εργαστηρίου μας, στο ραβδωτό σώμα των μυών weaver ηλικίας 6 μηνών. Σκοπεύουμε να ελέγξουμε την πιθανότητα, η αύξηση της έκφρασης της υπομονάδας α4, να υποδεικνύει μία αύξηση του αριθμού των εξωσυναπτικών υποδοχέων GABAA στους νευρώνες προβολής του ραβδωτού σώματος. Στην ωχρά σφαίρα των μυών weaver ηλικίας 6 μηνών, παρατηρήθηκε μείωση των επιπέδων mRNA των υπομονάδων α1 και β2, υποδεικνύοντας μία μείωση του αριθμού των υποδοχέων GABAA, η οποία ήταν αναμενόμενη, λόγω της αυξημένης GABAεργικής εισόδου στην εν λόγω εγκεφαλική περιοχή του μυός weaver. Στον σωματοαισθητικό φλοιό, παρατηρήθηκε μείωση στην έκφραση των υπομονάδων α2 και β2 και ταυτόχρονα αύξηση στην έκφραση των υπομονάδων α4 και β3. Με βάση βιβλιογραφικά δεδομένα, προτείνουμε ότι οι μεταβολές αυτές μπορεί να αντανακλούν μείωση στον αριθμό των συναπτικών και αύξηση στον αριθμό των εξωσυναπτικών υποδοχέων GABAA, σε απόκριση προς τη μειωμένη GABAεργική είσοδο προς τους νευρώνες του σωματοαισθητικού φλοιού του μυός weaver. Όσον αφορά στην έκφραση των πολυπεπτιδίων, το mRNA της προ-προεγκεφαλίνης, παρουσίασε αύξηση στο ραβδωτό σώμα των μυών weaver, μόνο στην ηλικία των 6 μηνών, ενώ το mRNA της προδυνορφίνης, παρουσίασε μείωση στην παραπάνω περιοχή, στην ηλικία των 26 ημερών και αύξηση στις μεγαλύτερες ηλικίες. Σύμφωνα με τα βιβλιογραφικά δεδομένα υποστηρίζουμε ότι: α) η καθυστερημένη αύξηση της έκφρασης της προ-προεγκεφαλίνης στο ραβδωτό σώμα του μυός weaver, οφείλεται στη μείωση της τονικής ανασταλτικής ρυθμιστικής δράσης της ντοπαμίνης στην έκφραση του εν λόγω γονιδίου και πιθανώς συντελείται μέσω του μεταγραφικού παράγοντα ΔfosB, β) ο παραπάνω μεταγραφικός παράγοντας είναι κατά πάσα πιθανότητα υπεύθυνος και για την καθυστερημένη επαγωγή της έκφρασης της προδυνορφίνης στο ραβδωτό σώμα των μυών weaver και γ) η μείωση του παραπάνω mRNA στην ηλικία των 26 ημερών οφείλεται στη μείωση της τονικής διεγερτικής δράσης της ντοπαμίνης στην έκφραση του εν λόγω γονιδίου. Τέλος, το γεγονός ότι οι μεταβολές των mRNA των διαφόρων υπομονάδων και νευροπεπτιδίων δεν ήταν οι ίδιες στις διάφορες ηλικίες που μελετήθηκαν υποδεικνύει ότι κατά την πρόοδο της ντοπαμινεργικής εκφύλισης των ντοπαμινεργικών νευρώνων του μεσεγκεφάλου διαφορετικοί μηχανισμοί ευθύνονται για την πρόκληση των αλλαγών στην έκφραση των υπό μελέτη γονιδίων. / In the present study we investigated the expression of the subunits of glutamate and γ-aminobutyric acid (GABA) receptors in basal ganglia and cerebral cortex of the weaver mouse. We also studied the expression of striatal neuropeptides, which are important neuromodulators of the synaptic transmission in the basal ganglia circuitry. The weaver mouse is characterized by a progressive, genetically induced degeneration of the mesencephalic dopaminergic neurons, especially those that project to the striatum. For this reason, the weaver mouse is a useful model for clarifying the pathogenetic mechanisms that underly Parkinson’s disease. Using the in situ hybridization method, the mRNA levels of the ΝΜDA subunits z1, ε1 and ε2, the kainate subunits KΑ2 and GluR6, the GABAA subunits α1, α2, α4, β2 and β3, as well as the mRNA levels of the precursor polypeptides pre-proenkephalin and prodynorphin, were estimated. The study was performed using wild-type (+/+) and weaver mice (wv/wv) of the following ages: 26 days, 3 months and 6 months. Concerning the glutamate receptors, an increase in the mRNA levels of z1, ε2, KA2 and GluR6 subunits was indicated in the weaver striatum, compared to the wild type. The z1, ε2 and GluR6 mRNA increases were observed only at the age of 6 months, whereas the KA2 mRNA increase was observed at all three ages studied. The increases in z1, ε2, ΚΑ2 and GluR6 mRNA expression are in agreement and probably explain the increased levels of ΝΜDA- and non-NMDA-sensitive binding sites that we had previously found in the 6 months old weaver striatum. Based on bibliographic data, we suggest that the delayed increases in z1, ε2 and GluR6 mRNA levels, are probably mediated by the delayed induction of the ΔfosB transcription factor, in response to the reduction of striatal dopamine levels. In the somatosensory cortex of 26 day old weaver mice, an increase in the levels of z1, ε1, ε2 and ΚΑ2 mRNAs was observed. The above increases can be attributed to the decreased thalamocortical glutamatergic imput. Concerning the GABAA receptors, the observed increases of the α4 and β3 mRNA levels in the 6 months old weaver striatum are in agreement and probably explain the increased levels of GABAA binding sites that we had previously found in the 6 months old weaver striatum. We are going to test the hypothesis, that the α4 mRNA increase might indicate an increase in the number of extrasynaptic GABAA receptors in striatal projection neurons. In the 6 months old weaver globus pallidus, the observed decrease in α1 and β2 mRNA levels was expected, since the GABAergic transmission is increased in the above region of the weaver brain. In the weaver somatosensory cortex, a decrease in the α2 and β2 mRNA levels and an increase in the α4 and β3 mRNA levels were observed. Based on bibliographic data, we suggest that the above alterations probably indicate a differential regulation of the synaptic versus extrasynaptic cortical GABAA receptors, in response to the decreased GABAergic presynaptic input to the weaver cortical neurons. Concerning the expression of the striatal neuropeptides, the pre-proenkephalin mRNA was increased in the weaver striatum, only at the age of 6 months. In contrast, prodynorphin mRNA was decreased in the 26 day old weaver striatum, whereas it was increased in the 3 and 6 months old weaver striatum. Based on bibliographic data, we suggest that: a) the delayed increase in the expression of pre-proenkephalin could be caused by the reduction of the tonic dopaminergic inhibitory control on the expression of the above gene in the dopamine-depleted weaver striatum and is probably mediated by the ΔfosB transcription factor; b) the above transcription factor could be responsible for the delayed induction of the prodynorphin expression in the weaver striatum as well, and c) the decrease of prodynorphin mRNA in the 26 day old weaver striatum could be attributed to the reduction of the dopaminergic stimulatory control on the expression of the above gene. Finally, the different pattern of expression alterations among the three ages studied indicates that distinct mechanisms are responsible for the observed changes, during the progress of the dopaminergic degeneration of the weaver brain.

Η νόσος Parkinson είναι μία νόσος νευροεκφυλιστικής φύσεως, η οποία αναπτύσσεται προοδευτικά και χαρακτηρίζεται κλινικά από κινητική δυσλειτουργία. Τα αίτια της νόσου μέχρι σήμερα είναι άγνωστα. Η εκφύλιση της ντοπαμινεργικής μελαινοραβδωτής οδού στη νόσο Parkinson οδηγεί σε επακόλουθη ελάττωση του νευροδιαβιβιστή ντοπαμίνη στο ραβδωτό σώμα και σε διαταραχή της ισορροπίας της λειτουργίας του κυκλώματος των βασικών γαγγλίων, γεγονός που έχει ως συνέπεια την εμφάνιση των κινητικών συμπτωμάτων της νόσου. Ο μυς weaver αποτελεί ένα εξαιρετικό πειραματικό μοντέλο για τη διαλεύκανση των μηχανισμών που ευθύνονται για την προοδευτική εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων, η οποία λαμβάνει χώρα ενδογενώς και προοδευτικά. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε ο πιθανός ρόλος του οξειδωτικού στρες και της απόπτωσης στη νευροεκφύλιση των μυών weaver. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν οι εγκεφαλικές περιοχές που εμπλέκονται άμεσα ή έμμεσα στη μελαινοραβδωτή νευροεκφύλιση καθώς και η παρεγκεφαλίδα. Επίσης, στις παραπάνω περιοχές, μελετήθηκε η έκφραση των αποπτωτικών/αντι-αποπτωτικών γονιδίων της οικογένειας bcl-2 καθώς και η έκφραση των προστατευτικών θερμοεπαγόμενων γονιδίων, Hsp27 και Hsp70. Οι παραπάνω μελέτες έγιναν σε φυσιολογικούς και weaver μύες 21 ημερών επειδή στο στάδιο αυτό η εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων έχει φτάσει στο 42% και οι ντοπαμινεργικοί δενδρίτες είναι ήδη μειωμένοι κατά 76%. Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της διατριβής συνοψίζονται στα παρακάτω: Οι weaver μύες παρουσίασαν σημαντική αύξηση του οξειδωτικό στρες στη παρεγκεφαλίδα και στο μεσεγκέφαλο που είναι οι εγκεφαλικές περιοχές στις οποίες συμβαίνει νευροεκφύλιση. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι το οξειδωτικό στρες πιθανόν να συμμετέχει στη νευροεκφύλιση των περιοχών αυτών. Επίσης η παρεγκεφαλίδα και ο μεσεγκέφαλος εμφάνισαν υψηλά επίπεδα κατακερματισμένου DNA. Σημαντικά επίπεδα κατακερματισμένου DNA εμφάνισαν και άλλες περιοχές του εγκεφάλου που εξετάστηκαν. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι η απόπτωση πιθανόν να συμμετέχει στη νευροεκφύλιση των περιοχών αυτών. Τόσο τα επίπεδα έκφρασης του αντιαποπτωτικού γονιδίου bcl2 όσο και τα επίπεδα έκφρασης των προστατευτικών και αντιαποπωτικών γονιδίων Hsp27 και Hsp70, βρέθηκαν αυξημένα στη παρεγκεφαλίδα των Weaver μυών υποδηλώνοντας ότι τα κύτταρα της παρεγκεφαλίδας επιστρατεύουν αμυντικούς μηχανισμούς έναντι του οξειδωτικού στρες και της απόπτωσης. / The Parkinson disease is a neurodegeneration disease that develops progressively and it is clinically characterized by motor disturbances. The degeneration of nigrostriatal dopaminergic innervations in Parkinson disease leads to subsequent decrease of dopamine neurotransmitter in corpus striatum and to disturbance of operational equilibrium of basal ganglia circuit. The result of this is the motor symptoms that the disease appears. The weaver mouse constitutes an excellent Parkinson model for understanding the mechanisms which are responsible for the progressive degeneration of the dopaminergic neurons. The roles of oxidative stress and apoptosis in the neurodegeneration of weaver mice were investigated. The brain regions that are involved directly or indirectly in nigrostriatal dopaminergic innervations as well as cerebellum were examined. In addition, the expression of the apoptotic/antiapoptotic genes of bcl-2 family as well as the expression of the protective heat shock protein genes, Hsp27 and Hsp70. were examined in the above brain regions. The results and conclusions of this work are summarized bellow: The weaver mice showed significant increase of the oxidative stress in cerebellum and midbrain which are the major regions where neurodigeneration takes place. These results suggest that oxidative stress is probably involved in the neurodigeneration of these regions. All brain regions of weaver mice examined showed significant increases in fragmented DNA with the higher fragmentation taking place in the cerebellum and in midbrain. These results suggest that apoptosis is may involved in the neurodegeneration of all these regions. The expression levels of the antiapoptotic gene bcl-2 as well as the expression of the protective heat shock protein genes, Hsp27 and Hsp70, were found to increase in the cerebellum of the weaver mice suggesting that the cerebellum cells recruit defense mechanisms against oxidative stress and apoptosis.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε το ντοπαμινεργικό και γλουταμινεργικό σύστημα των βασικών γαγγλίων, χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά μοντέλα ζώων. Ο πρώτος στόχος ήταν να εξεταστεί εάν η μεταφορά του γονιδίου TrkA σε νευρώνες της μέλαινας ουσίας (SN) ενήλικων επίμυων επιδρά στις νευροχημικές τους ιδιότητες, απουσία ή παρουσία εξωγενούς νευροαυξητικού παράγοντα (NGF) στο ραβδωτό σώμα. Η εκτοπική έκφραση του TrkA στην SN οδήγησε σε σημαντική μείωση του mRNA της υδροξυλάσης της τυροσίνης (TH), της TH ανοσοδραστικότητας και του mRNA του DAT στη δεξιά SN σε σύγκριση με την ετερόπλευρη, ενώ δεν βρέθηκε καμία διαφορά στο mRNA των υποδοχέων ντοπαμίνης D2 και της ειδικής δέσμευσης του [3Η]raclopride στην SN. Δεν παρατηρήθηκαν μεταβολές στις θέσεις δέσμευσης του [3Η]WIN35428 και της ανοσοδραστικότητας του DAT στο ομόπλευρο ραβδωτό σώμα, καθώς και στις θέσεις δέσμευσης των μετασυναπτικών υποδοχέων ντοπαμίνης D1 και D2, όπως καθορίζεται από τους ιχνηθέτες [3H]SCH23390 και [3Η] raclopride, αντίστοιχα. Επιπλέον, δεν βρέθηκαν σημαντικές μεταβολές στους υποδοχείς NMDA και AMPA. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι η εκτοπική έκφραση του TrkA στην SN ρυθμίζει αρνητικά την ΤΗ και οδηγεί σε ανεξάρτητες από τον NGF αποκρίσεις. O δεύτερος στόχος της διατριβής ήταν η μελέτη του ντοπαμινεργικού συστήματος σε ένα μοντέλο DYT1 δυστονίας μυός. Σε διαγονιδιακούς μυς με υπερκινητική και μη υπερκινητική συμπεριφορά παρατηρήθηκε μείωση των υποδοχέων ντοπαμίνης D2 στο ραβδωτό σώμα, όπως προσδιορίστηκε από τη δέσμευση του [3H]raclopride, και τoυ mRNA των D2 στην SNpc, σε σχέση με μη διαγονιδιακούς μυς. Δεν παρατηρήθηκε διαφορά στη δέσμευση του [3H]SCH23390 ή του [3H]WIN35428 στο ραβδωτό σώμα διαγονιδιακών μυών. Τα δεδομένα προτείνουν μία πιθανή εμπλοκή της ντοπαμινεργικής νευροδιαβίβασης στην παθοφυσιολογία της DY1 δυστονίας. / In the present thesis we examined the dopaminergic and glutamatergic neurotransmission systems of basal ganglia, using two different animal models. The first goal was to investigate whether TrkA gene transfer into substantia nigra (SN) neurons of adult rats influence some of their neurochemical properties, in the absence or presence of exogenous nerve growth factor (NGF) delivery in the striatum. Ectopic expression of TrkA in SN resulted in a significant decrease of tyrosine hydroxylase (TH) immunoreactivity, TH mRNA and DAT mRNA expression in the right SN compared to the contralateral side, while no difference was found in the mRNA expression of D2 DA receptors and [3H]raclopride binding in SN. No significant changes were seen in the density of DAT by measuring [3H]WIN35428 binding sites and DAT immunoreactivity in the ipsilateral striatum, as well as in the number of postsynaptic striatal D1 and D2 receptor binding sites, as determined by [3H]SCH23390 and [3H]raclopride, respectively. Furthermore, no significant changes were found in NMDA and AMPA receptors. These data suggest that ectopic TrkA expression in SN downregulates TH in nigral dopaminergic neurons and elicits NGF-independent responses. The second goal of the present thesis was to examine the dopaminergic system of basal ganglia in a mouse model of DYT1 dystonia. A decrease in striatal D2 binding sites, measured by [3H]raclopride binding, and D2 mRNA expression in substantia nigra pars compacta (SNpc) was revealed in affected and unaffected transgenic mice when compared with non-transgenic. No difference in D1 receptor binding and DAT binding, measured by [3H]SCH23390 and [3H]WIN35428 binding, respectively, was found in striatum of transgenic animals. These data suggest a possible involvement of dopamine neurotransmission in the pathophysiology of DYT1 dystonia.

Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η βιβλιογραφική αναζήτηση, παράθεση και επιβεβαίωση παλαιότερων τεχνικών που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς για τη βέλτιστη στόχευση και ηλεκτρικό ερεθισμό δομών των βασικών γαγγλίων και του θαλάμου, αλλά και η αναζήτηση νέων τεχνικών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν τόσο κατά τη διάρκεια του χειρουργείου όσο και μετά από αυτό. Το κύριο μέρος της εργασίας είναι η εύρεση νέων συνδυαστικών τεχνικών οι οποίες επηρεάζουν τη στόχευση των εν τω βάθει πυρήνων, και πιο συγκεκριμένα την διεγχειρητική στόχευση του υποθαλάμιου πυρήνα κατά την διάρκεια στερεοτακτικής και λειτουργικής νευροχειρουργικής Παρκινσονικών ασθενών, καθώς και ο καθορισμός συγκεκριμένων τροχιών μικρο/μακροηλεκτροδίων οι οποίες να μπορούν να εγγυηθούν μακροχρόνια θετικά κλινικά αποτελέσματα. Προτού αναφέρουμε λεπτομερώς αυτές τις τεχνικές, αναλύουμε τον τρόπο λειτουργίας του εν τω βάθει εγκεφαλικού διεγέρτη, αναφέρουμε κάποια ιστορικά ορόσημα στην ανάπτυξη της στερεοτακτικής και λειτουργικής νευροχειρουργικής και αναφέρουμε τους διαφόρους πυρήνες που έχουν διεγερθεί κατά καιρούς για την αντιμετώπιση των συμπτωμάτων διαφόρων νευρολογικών παθήσεων. Επίσης αναφέρουμε αρκετά ανατομικά στοιχεία (συνοδεία σχεδίων) των υπό διέγερση περιοχών καθώς και τη φυσιολογία που εμπλέκεται έτσι ώστε να έχουμε μείωση ή και εξάλειψη των διαφόρων νευρολογικών/ψυχιατρικών συμπτωμάτων. Αναφερόμαστε στη γενικότερη εφαρμογή του ηλεκτρισμού στην ιατρική καλύπτοντας τόσο το κεντρικό όσο και το περιφερειακό νευρικό σύστημα, σε ασθένειες οι οποίες παρουσιάζουν νευρολογικές και ψυχιατρικές εκφάνσεις, ενώ αναλύουμε και διεξοδικά τον μηχανισμό δράσης νευρολογικών ασθενειών από μοριακό επίπεδο μέχρι των αλλαγών που παρατηρούνται στα μετρήσιμα ηλεκτρικά πεδία τόσο των εν τω βάθει δομών όσο και του φλοιού. Στο τελευταίο κεφάλαιο αυτής της εργασίας αναλύουμε τις μετρήσεις μας που ελήφθησαν από 7 Παρκινσονικούς ασθενείς κατά τη διάρκεια χειρουργείου για την στόχευση και ερεθισμό του υποθαλάμιου πυρήνα, και αναφέρουμε πως με τη χρήση μη γραμμικής δυναμικής και χάους μπορούμε να επιτύχουμε το βέλτιστο κλινικό αποτέλεσμα. / The objective of the present thesis is the bibliographical research, instantiation and confirmation of various techniques that have been occasionally used for the most optimal targeting and electric stimulation of basal ganglia nuclei and thalamus, as well as the finding of new innovative techniques that can be used so much intraoperatively as much postoperatively. The main part of this thesis is the finding of new combined techniques that influence the targeting of deep brain nuclei, and more specifically the targeting of subthalamic nucleus during functional neurosurgery in parkinsonian patients, as well as the determination of specific trajectories of micro/macroelectrodes which can guarantee long-lasting positive clinical results. Before we report in detail these techniques, we analyze the function of the deep brain stimulator, we report certain historical landmarks in the growth of stereotactic and functional neurosurgery and we report the various nuclei that they occasionally have been stimulated for the amelioration of symptoms of various neurological diseases. Also we report many anatomical information (accompanied by drawings) of the areas under stimulation as well as the physiology that is involved so as to induce amelioration of various neurological/psychiatric symptoms. We have analyzed the more general application of electricity in the medicine covering so much the central as much the peripheral nervous system, the symptoms of diseases that present neurological and psychiatric manifestations, while we have analyzed in depth the mechanism of action of neurological diseases from molecular level up to the changes that are observed in the measurable electric fields from both deep brain nuclei and the cerebral cortex. In the last chapter of this thesis we analyze the electric activity that was measured intraoperatively from scalp and deep brain electrodes of 7 parkinsonian patients during targeting and stimulation of the subthalamic nucleus, and we report that with the use of non linear dynamics and chaos we can achieve the most optimal clinical result.

Η παρούσα εργασία αφορά στη μελέτη της ανταγωνιστικής αλληλεπίδρασης των Α1/D1 υποδοχέων στο επίπεδο έκφρασης του πρώιμου γονιδίου zif/268 (δείκτης νευρωνικής δραστηριότητας) και της in vivo μεταγωγής σήματος των Α1 και Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση στο μυ weaver. Ο μυς weaver αποτελεί ένα γενετικό μοντέλο ντοπαμινεργικής απονεύρωσης, η οποία συμβαίνει σταδιακά, έτσι ώστε το μοντέλο αυτό να προσομοιάζει τη Νόσο Πάρκινσον (ΝΠ) στον άνθρωπο. Στο πρώτο στάδιο της μελέτης προέκυψε το ενδιαφέρον αποτέλεσμα ότι με την ταυτόχρονη ενεργοποίηση των Α1 και D1 υποδοχέων παρατηρήθηκε η αναμενόμενη ανταγωνιστική αλληλεπίδραση (ενδεχομένως μέσω σχηματισμού του ετεροδιμερούς), ενώ με την ενεργοποίηση μόνο των Α1 υποδοχέων στους weaver μύες παρατηρήθηκε αυξημένη ενεργοποίηση των νευρώνων του ραβδωτού σώματος και συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφαλικού φλοιού. Η ενεργοποίηση αυτή ήταν μη αναμενόμενη, δεδομένου ότι οι Α1 υποδοχείς (A1Rs) είναι συζευγμένοι με Gi πρωτεΐνες και καταστέλλουν τη μεταγωγή σήματος που οδηγεί στην επαγωγή του zif/268 μέσω του D1R/Gs/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB μονοπατιού. Η ακόλουθη διερεύνηση του μηχανισμού έδειξε ότι η Α1R-επαγόμενη ενεργοποίηση του zif/268 καταστέλλεται από τον ειδικό ανταγωνιστή των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης (A2ARs) ZM241385 και από τον ειδικό αγωνιστή των D2 υποδοχέων ντοπαμίνης Quinpirole, υποδεικνύοντας την ενεργοποίηση των Α2ΑRs και άρα ενεργοποίηση της έμμεσης οδού. Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαιώθηκε, δεδομένου ότι η διέγερση των Α1Rs προκάλεσε αύξηση της έκφρασης του mRNA της εγκεφαλίνης, αλλά όχι της δυνορφίνης, που αποτελούν δείκτες ενεργοποίησης της έμμεσης και της άμεσης οδού, αντίστοιχα. Το γεγονός ότι ο αγωνιστής των Α1Rs δεν προκαλεί στα φυσιολογικά ζώα ενεργοποίηση του zif/268 mRNA υποδεικνύει την υπερευαίσθητη απόκριση των Α2ARs. Η μελέτη της υπερευαίσθητης αυτής απόκρισης στο μυ weaver έγινε με τη διερεύνηση της μεταγωγής σήματος μετά από in vivo ενεργοποίηση των Α2ΑRs: α) του καθιερωμένου μονοπατιού Α2ΑRs/Gs/AC/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB, το οποίο οδηγεί στη επαγωγή του zif/268 και β) του μονοπατιού των ΜΑΡΚ. Τα αποτελέσματα έδειξαν αυξημένα βασικά επίπεδα φωσφορυλίωσης της DARPP-32 στη θέση Thr-34. Τα αυξημένα επίπεδα της φωσφορυλιωμένης DARPP-32 πολλαπλασιάζουν τη δράση της ΡΚΑ και άρα διευκολύνουν τη μεταγωγή σήματος μέσω Α2ΑRs/Gs/AC/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB μονοπατιού. Επομένως, η υπερευαίσθητη απόκριση των Α2ΑRs κάτω από την έλλειψη ντοπαμίνης στο μυ weaver φαίνεται να οφείλεται στα αυξημένα ενδογενή επίπεδα της φωσφορυλιωμένης DARPP-32. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι τα βασικά επίπεδα φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών ERK1/2(MAPK44/42) είναι αυξημένα στον μυ weaver, αλλά μειώνονται σημαντικά μετά από την ενεργοποίηση των Α2ΑRs. Δεν γνωρίζουμε το μηχανισμό μέσω του οποίου αυξάνονται τα ενδογενή επίπεδα των ERK1/2 και πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω. Το συμπέρασμα όμως που εξάγεται είναι ότι κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση η μεταβίβαση σήματος μέσω των Α2ΑRs δεν ενεργοποιεί την οδό των MAP κινασών. Στην παρούσα in vivo μελέτη αναδεικνύεται ο ρόλος των Α1 και Α2Α υποδοχέων στην λειτουργία των βασικών γαγγλίων κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση. Τα αποτελέσματα αυτά έχουν ιδιαίτερη σημασία δεδομένου ότι εμφανίζονται σε ένα γενετικό μοντέλο παρκινσονισμού, στο οποίο η εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων είναι σταδιακή και προσομοιάζει τη ΝΠ, και όχι οξεία, όπως σε άλλα τοξικά μοντέλα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτά παρουσιάζουν ενδεχομένως κλινικό ενδιαφέρον, δεδομένου ότι η ενεργοποίηση της έμμεσης οδού μέσω Α1Rs από την ενδογενή αδενοσίνη θα επιδείνωνε περαιτέρω τις κινητικές δυσλειτουργίες της ΝΠ. Η πληροφορία αυτή, καθώς και η γνώση για την ενισχυμένη μεταγωγή σήματος μέσω των Α2Α υποδοχέων ενισχύουν την πρόταση για χρήση των Α2Α ανταγωνιστών ως αντιπαρκινσονικά φάρμακα. Δεδομένου ότι σήμερα το ενδιαφέρον είναι στραμμένο στη δημιουργία διμερών προσδεμάτων (bivalent ligands) που μπορούν να δρουν ταυτόχρονα σε δύο υποδοχείς, η συγκεκριμένη πληροφορία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για μελλοντική δημιουργία φαρμακευτικού σχήματος που να δρα ταυτόχρονα ως αγωνιστής των D2 υποδοχέων ντοπαμίνης και ως ανταγωνιστής των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης. / The present work studied the antagonistic interaction of A1/D1 receptors at the level of mRNA expression of the immediate early gene zif/268 (used as a marker of neuronal function). In parallel we studied the in vivo signal transduction of A1 and A2A adenosine receptors under dopamine deficiency in weaver mutant. The weaver mutant represents the only genetic animal model of gradual nigrostriatal neuron degeneration, which can be characterized as a pathophysiological phenocopy of Parkinson’s Disease. In the first part of the study, the co-activation of A1 and D1 receptors revealed the well-known antagonistic interaction of these receptors (possibly through the formation of A1/D1 heterodimer) in weaver mutant. An interesting result was that the activation of A1 receptors alone did induce zif/268 mRNA expression in stiatal and specific cortical neurons in weaver mutant. This induction was not expected, since A1 receptors are Gi-coupled and suppress the signal transduction pathway that leads to zif/268 induction through AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB cascade. Further study, revealed that the A1 receptor-induced zif/268 mRNA expression is counteracted by the A2A receptor selective antagonist ZM241385 and by the D2 receptor selective agonist Quinpirole, suggesting the activation of A2A receptors and thus the activation of the “indirect pathway”. Moreover, A1 receptors activation induced the expression of enkephalin mRNA, but not of dynorphin, which are considered as marker of neuronal activation of the “indirect” and the “direct” pathway, respectively. The fact that the A1 receptor agonist did not induced zif/268 mRNA expression in +/+ animals indicates that under dopamine deficiency the A2A receptors react with a supersensitive response. This response was analyzed in weaver mouse after in vivo A2A receptor activation: a) by examining the classical signal transduction pathway of A2A receptors/AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB, which leads to zif/268 expression and b) by studying the MAPK cascade. Results showed increased basal phosphorylation levels of DARPP-32 (dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein, MW 32kDa) of Thr-34 in weaver compared to control mice. Increased phosphoThr34-DARPP-32 would amplify the effects of the PKA and thus facilitating the signal transduction through A2A receptors/AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB. Therefore, the A2A receptors supersensitive response under dopamine deficiency in weaver mutant seems to be due to elevated endogenous phosphorylation levels of DARPP-32. Interestingly, while the basal phosphorylation levels of ERK1/2 (MAPK44/42) are elevated in weaver mutant, they are significantly reduced after A2A receptor activation. Although we do not know the mechanism through which the endogenous ERK1/2 levels are elevated, the conclusion is that, under dopamine deficiency, A2A receptors do not activate MAPK cascade. The present in vivo study demonstrates the role of A1 and A2A adenosine receptors in the function of basal ganglia under dopamine deficiency. Our results are significant since the expreriments were performed in a genetic parkinsonian model, in which the dopaminergic neurons are gradually degenerated and thus simulate the human PD, and not in an acute toxic model. Moreover, these results could be of possible clinical relevance, since the activation of A1 receptors by endogenous adenosine would exaggerate the motor dysfunctions of PD. Furthermore, the enhanced signal transduction pathway through A2A receptors supports the suggestion that the A2A receptor antagonists as antiparkinsonian agents. Given the well-known A2A/D2 antagonistic interaction, new therapeutical prospectives would involve the development of pharmacological bivalent ligands, which can interact with the A2A/D2 receptors and act simultaneously as A2A receptor antagonists and as D2 receptor agonists.