Το σύμπλεγμα-Κ και η άτρακτος είναι από τα χαρακτηριστικότερα ηλεκτροεγκεφαλογραφικά στοιχεία του δευτέρου NREM σταδίου του ύπνου στον άνθρωπο. Η παρούσα μελέτη διεξήχθη με σκοπό να διερευνήσει πιθανές σχέσεις μεταξύ των φαινομένων αυτών που εμφανίζονται κατά το δεύτερο στάδιο του NREM ύπνου, με ταυτόχρονη φιλοδοξία να απαντήσει σε ερωτήματα σχετικά με τον λειτουργικό ρόλο αυτών. Δέκα υγιή υποκείμενα έλαβαν μέρος στην μελέτη, κατά την οποία ελήφθη το ολονύχτιο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα του ύπνου τους. Τα φαινόμενα ενδιεφέροντος αναγνωρίστηκαν, επιλέχθησαν και σημειώθηκαν προκειμένου να υποβληθούν σε συμβαντο-σχετιζόμενη ανάλυση, η οποία ενισχύθηκε από την εφαρμογή ανάλυσης χρόνου-συχνοτήτων καθώς και διδιάστατης τοπογραφικής απεικόνισης στον χώρο των ηλεκτροδίων. Η παρούσα μελέτη οδήγησε στα παρακάτω ευρήματα σχετικά με τα κύρια ηλεκτροεγκεφαλογραφικά στοιχεία του δευτέρου NREM σταδίου του ανθρώπινου ύπνου. Ταχείες άτρακτοι στην πορεία των οποίων τυγχάνει να εμφανιστεί σύμπλεγμα-Κ διακόπτουν την ταλάντωσή τους. Άτρακτοι οι οποίες με μεγάλη πιθανότητα εμφανίζονται μετά την πάροδο του συμπλέγματος-Κ έχουν υψηλότερη συχνότητα ταλάντωσης τόσο από εκείνες που διεκόπησαν όσο και από τις σποραδικές, μη-συσχετισμένες με σύμπλεγμα-Κ, ατράκτους. Η εν λόγω αύξηση στην συχνότητα τείνει προς μια μέγιστη συχνότητα ταλάντωσης και δεν εξαρτάται από κάποιο από τα ηλεκτροεγκεφαλογραφικά καταγραφόμενα χαρακτηριστικά του συμπλέγματος-Κ. Αντίστοιχα, και η διακοπή της ταλάντωσης των ατράκτων πρό του συμπλέγματος-Κ δεν μπορεί με βεβαιότητα να αποδωθεί στο σύμπλεγμα-Κ. Εντός του συμπλέγματος-Κ εμφανίζεται με μεγάλη πιθανότητα ρυθμική δραστηριότητα στο άνω όριο της θήτα ζώνης συχνοτήτων. Η δραστηριότητα αυτή είναι ανεξάρτητη του συμπλέγματος-Κ, καθώς εμφανίζει κατά πλειονότητα προσθιο-οπίσθιο προφίλ διάδοσης όταν το αργό κύμα του συμπλέγματος-Κ έχει μετωπιαία εντόπιση. Ο υψηλός θήτα ρυθμός αυτός, όσο περισσότερες ταλαντώσεις επιτυγχάνει εντός του συμπλέγματος-Κ τόσο περισσότερο τείνει να εισέλθει συχνοτικά στην άλφα ζώνη συχνοτήτων, από την οποία κατά πλειονότητα επανέρχεται στα αρχικά συχνοτικά επίπεδα κατά την τελευταία ταλάντωση˙ μια φασματική επαναφορά προτύπου πέδησης, την οποία ελλείψει άλλων οπτικά αξιολογήσιμων στοιχείων αποδίδουμε στην ύστερη δράση του συμπλέγματος-Κ. Η μελέτη αυτή έδειξε: α) ότι το σύμπλεγμα-Κ και οι άτρακτοι αποτελούν υπναγωγικά στοιχεία του φλοιού και του θαλάμου αντίστοιχα, τα οποία αντικατοπτρίζουν ανεξάρτητες αλλά συνεργές διαδικασίες που σκοπό έχουν να διατηρήσουν την συνέχεια του ύπνου, και β) ότι οι αλληλεπιδράσεις του συμπλέγματος-Κ με τους περί αυτό ρυθμούς υποδεικνύουν την ύπαρξη μιας ακόμη πιο βραχύχρονης δυναμικής διεργασίας στην μικρο-αρχιτεκτονική του ύπνου. Παράλληλα η μελέτη οδήγησε στην ανάπτυξη ενός νέου εργαλείου ταυτόχρονης απεικόνισης της μακρο-αρχιτεκτονικής και της μικρο-αρχιτεκτονικής του ύπνου: του υπνοφασματογραφήματος, του διαγράμματος χρόνου-συχνοτήτων του ολονύχτιου ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος του ύπνου. / The K-complex and the sleep spindle are the most distinctive electroencephalographic features of the the second stage of NREM human sleep. This study was performed in order to investigate the potential relations between these phenomena that make their appearance in the second stage of NREM sleep, at the same time aiming in answering questions regarding their physiological role. Ten healthy individuals participated in this study, during which the whole-night sleep electroencephalogram was derived. The features of interest were identified, selected and marked in order to undergo event-related analysis, empowered by time-frequency analysis and 2-dimentional topography in electrode space. This study led to the following conclusions regarding the main electroencephalographic features of the second stage of NREM human sleep. Fast sleep spindles, during the course of which a K-complex happens to appear, interrupt their oscillation. The spindles that appear with high probability after the K-complex have higher frequency of oscillation from both the interrupted ones as well as form the sporadic, non-cprrelated to the K-complex, spindles. This increment in frequency tends towards a maximum oscillation frequency and is not dependent in any of the electroencephalographically recorded features of the K-complex. Respectively, the interruption of the oscillation of the pre-K-complex spindles cannot be credited to the K-complex with certainty. During the course of the K-complex a rhythmic activity of the upper theta band appears with high probability. This activity is independent from the K-complex as, in majority, it exhibits a antero-posterior profile of displacement when the slow wave of the K-complex has a frontal localization. This high-theta rhythm, the more oscillation peaks it achieves during the K-complex, the more it tends to enter the alpha band, from which, in majority, it returns to the initial frequency levels during the last oscillation; a spectral breaking profile that, in the absence of other visually evaluated elements, we credit to the late action of the K-complex. This study showed that: a) the K-complex and the sleep spindle are sleep-promoting elements of the cortex and the thalamus, respectively, that represent independent but cooperative processes that aim in preserving the continuity of sleep, and b) that the interactions of the K-complex with the rhythms around it reveal the existence of an even briefer dynamic process of the micro-architecture of sleep. At the same time, this study led to the development of a novel tool for concurrent visualization of the macro-architecture and the micro-architecture of sleep: the hypnospectrogram, the time-frequency plot of the whole-night sleep electroencephalogram.

Οι υπνικές άτρακτοι είναι απότομες αλλαγές της ρυθμικής δραστηριότητας που χαρακτηρίζονται από σταδιακή αύξηση και κατόπιν μείωση του πλάτους. Εμφανίζονται κυρίως στα στάδια 2,3 και 4 του υπνικού εγκεφαλογράμματος. Τοπογραφικές αναλύσεις έχουν δείξει την ύπαρξη δύο ξεχωριστών τύπων υπνικών ατράκτων, «αργές» και «ταχείς», περίπου στα 12 και 14 Hz, αντίστοιχα. Υπάρχουν ενδείξεις ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο, λειτουργικά, ξεχωριστές γεννήτριες υπνικών ατράκτων, που αντιστοιχούν στις κλάσεις συχνοτήτων. Ο λόγος της εργασίας αυτής ήταν η επεξεργασία υπνικών ατράκτων με την τεχνική Ανάλυσης Ανεξάρτητων Συνιστωσών (ICA) με σκοπό την έρευνα της πιθανότητας εξαγωγής, στα από την ICA ανακατασκευαζόμενα ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα (ΗΕΓ), «συνιστωσών» ατράκτων που αντιστοιχούν σε ξεχωριστές δομές ΗΕΓ, και η μελέτη των πηγών που δημιουργούν αυτές τις συνιστώσες. Χρησιμοποιήθηκαν 8κάναλες καταγραφές υπνικών ατράκτων ΗΕΓ από έναν εξεταζόμενο, που καταγράφηκαν στα πλαίσια του Biopattern Network of Excellence, οι οποίες αρχικά επεξεργάστηκαν με ένα φίλτρο FIR με συχνότητες αποκοπής (-3dB) στα 6 και 21 Hz. Κατόπιν εφαρμόστηκε η ανάλυση ICA και εξάχθηκαν οι ανεξάρτητες συνιστώσες (ICs). Έγινε επιλογή των συνιστωσών οι οποίες θα ανακατασκεύαζαν τα ΗΕΓ και τέλος ανακατασκευάσθηκαν αυτά. Στα ανακατασκευασμένα ΗΕΓ έφαρμόστηκε η ανάλυση LORETA. Πρωτού γίνει όμως αυτό έγινε μία εξομείωση του «ευθύ» και «ανάστροφου» προβλήματος. Αυτό έγινε για να μελετήσουμε κατά πόσον θα μπορούσαμε να εξάγουμε αξιόπιστα αποτελέσματα από την τεχνική LORETA με τόσο μικρό αριθμό καναλιών καταγραφής. Η μελέτη αυτή έδειξε ότι τα αποτελέσματά μας θα μπορούσαν να μας δώσουν αξιόπιστες πληροφορίες όσον αφορά την ευρεία περιοχή παραγωγής των ατράκτων και όχι την ακριβή τους θέση. Τα τελικά αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει διαφοροποίηση, όσον αφορά την περιοχή παραγωγής τους, και σταθερότητα των πηγών που σχετίζονται με συνιστώσες ατράκτων που ανακατασκευάζονται από ξεχωριστές ομάδες ανεξαρτήτων συνιστωσών (ICs). / Sleep spindles are bursts of rhythmic activity characterized by progressively increasing, then gradually decreasing amplitude, present predominantly in stages 2, 3 and 4 of the sleep electroencephalogram (EEG). Topographic analyses of sleep spindle incidence suggested the existence of two distinct sleep spindle types, “slow” and “fast” spindles at approximately 12 and 14 Hz respectively. There are indications that there exist at least two functionally separated spindle generators, corresponding to each frequency spectrum class. The purpose of the present study was to process sleep spindles with Independent Component Analysis (ICA) in order to investigate the possibility of extracting, in the ICA-reconstructed EEG, spindle “components” corresponding to separate EEG activity patterns, and to investigate the sources underlying these spindle components. We used 8-channel EEG recordings of sleep spindles of a single subject, recorded in the framework of the Biopattern Network of Excellence, which were processed by a FIR filter with cut-off frequencies (-3 dB) at 6 and 21 Hz. Afterwards, ICA was applied and ICs were extracted. There were a choice of the ICs which would reconstruct the EEG and the EEG were finally reconstructed. Source analysis using Low-Resolution Brain Electromagnetic Tomography (LORETA) was applied on the reconstructed EEGs. Before that we made a simulation of the “direct” and “inverse” problem. This was made in order to investigate if we would extract reliable results from the LORETA technique with only 8-channel recordings. The investigation stated that the results could give reliable information only for the brain sites at which the spindle generators were located and not for their exact position. Results indicate separability and stability of sources related to sleep spindle components reconstructed from separate groups of Independent Components (ICs).

Το βακτήριο Wolbachia είναι ένα ενδοκυττάριο και μητρικά κληρονομούμενο συμβιωτικό βακτήριο. Ανήκει στην ομοταξία των Alphaproteobacteria και την τάξη των Rickettsiales. Αποτελεί ίσως τον πιο διαδεδομένο ενδοκυττάριο συμβιωτικό οργανισμό στον πλανήτη, καθώς έχει εντοπιστεί μέχρι στιγμής σε πληθώρα αρθροπόδων και νηματωδών της φιλαρίασης. Πρόσφατες μελέτες εκτιμούν ότι πάνω από το 40% των ειδών αρθροπόδων είναι μολυσμένα με το βακτήριο Wolbachia. Το συμβιωτικό αυτό βακτήριο επηρεάζει τις βιολογικές λειτουργίες και ιδιότητες των ξενιστών του και είναι υπεύθυνο για μια σειρά αναπαραγωγικών ανωμαλιών, όπως η κυτταροπλασματική ασυμβατότητα, η παρθενογένεση, η θανάτωση των αρσενικών εμβρύων και η θηλυκοποίηση. Τα μοναδικά αυτά βιολογικά χαρακτηριστικά του βακτηρίου Wolbachia προσελκύουν όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον διαφόρων ερευνητών τόσο για το ρόλο του βακτηρίου σε εξελικτικές διαδικασίες (κυρίως ειδογένεση) όσο και για τη χρησιμοποίησή του σε περιβαλλοντικά φιλικές εφαρμογές καταπολέμησης οργανισμών που είναι επιβλαβείς στους τομείς του γεωργικού και δασικού περιβάλλοντος, και της υγείας. Τα είδη του γένους Glossina (Diptera: Glossinidae), γνωστά και ως μύγες τσε-τσε, αποτελούν ξενιστές του βακτηρίου Wolbachia. Η μύγα τσε-τσε είναι ο σημαντικότερος φορέας των παθογόνων τρυπανοσωμάτων στην τροπική Αφρική, τα οποία προκαλούν την ασθένεια του ύπνου (sleeping sickness) στον άνθρωπο και την αντίστοιχη τρυπανοσωμίαση, γνωστή ως nagana, στα ζώα. Η χρησιμοποίηση του βακτηρίου Wolbachia σε μεθόδους βιολογικής καταπολέμησης της μύγας τσε-τσε προαπαιτεί την πλήρη γνώση της γενετικής του ταυτότητας και των αλληλεπιδράσεων του με το ξενιστή. Προς την κατεύθυνση αυτή, και στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, πραγματοποιήθηκε η ανίχνευση του συμβιωτικού βακτηρίου Wolbachia σε περισσότερα από 5300 άτομα από φυσικούς και εργαστηριακούς πληθυσμούς 11 διαφορετικών ειδών μύγας τσε-τσε από 13 Αφρικανικές χώρες. Τα αποτελέσματα έδειξαν τεράστια απόκλιση της παρουσίας του βακτηρίου τόσο μεταξύ ειδών όσο και μεταξύ πληθυσμών του ίδιου είδους. Επίσης, πραγματοποιήθηκε ο γενετικός χαρακτηρισμός των στελεχών Wolbachia από συνολικά 29 αντιπροσωπευτικά δείγματα διαφόρων πληθυσμών και ειδών μύγας τσε-τσε, ενώ σε αρκετά από αυτά παρατηρήθηκαν πολλαπλά στελέχη του βακτηρίου. Διαπιστώθηκε εντυπωσιακή γενετική ποικιλότητα στελεχών Wolbachia που απαντούν στα διάφορα είδη μύγας τσε-τσε καθώς και ασυμφωνία μεταξύ των φυλογενειών των στελεχών Wolbachia και των μυγών τσε-τσε ξενιστών της, γεγονός που σημαίνει οριζόντια μετακίνηση του συμβιωτικού βακτηρίου κατά την εξέλιξη. Επιπρόσθετα, εντοπίστηκαν για πρώτη φορά εκτεταμένα γεγονότα οριζόντιας μεταφοράς βακτηριακών γονιδίων στο γονιδίωμα τριών ειδών μύγας τσε-τσε: στο Glossina morsitans morsitans, Glossina pallidipes και Glossina austeni. Από εξελικτικής σκοπιάς, κρίσιμα ερωτήματα προκύπτουν από τα παραπάνω ευρήματα, και πιο συγκεκριμένα σχετικά με: την προέλευση-μηχανισμό αυτών των γεγονότων οριζόντιας μεταφοράς, τον χρονικό προσδιορισμό τους, τον πιθανό ρόλο τους σε διαδικασίες ειδογένεσης και την επιλεκτική εμφάνισή τους σε ορισμένα μόνο είδη Glossina π.χ. στo υποείδos Glossina morsitans centralis που είναι πολύ συγγενικό του Glossina morsitans morsitans δεν παρατηρήθηκε το φαινόμενο. Εξίσου σημαντική και επιβεβλημένη κρίνεται η διεξοδική διερεύνηση του ενδεχομένου τα βακτηριακά γονίδια που ενσωματώθηκαν στο ευκαρυωτικό γονιδίωμα της μύγας τσε-τσε να ευθύνονται για την έκφραση νέων λειτουργιών-ιδιοτήτων (ή να μεταβάλλουν τις ήδη υπάρχουσες), ιδίως μάλιστα εάν αυτές συνδέονται με την αποδοτικότητα μετάδοσης της νόσου της τρυπανοσωμίασης μέσω του φορέα της, δηλαδή της μύγας τσε-τσε. Τέλος, διαπιστώθηκε πιθανή αρνητική συσχέτιση της παρουσίας του βακτηρίου Wolbachia με τον παθογόνο ιό Salivary Gland hypertrophy Virus (SGHV), γεγονός που συζητείται στα πλαίσια βιολογικών εφαρμογών καταπολέμησης του εντόμου-φορέα και της τρυπανοσωμίασης. Παράλληλα, μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η προοπτική χρησιμοποίησης του βακτηρίου Wolbachia για τη βιολογική καταπολέμηση εντόμων αγροτικής ή /και περιβαλλοντικής σημασίας, όπως είναι οι αφίδες και η καρπόκαψα καστανιάς. Το γεγονός αυτό προϋποθέτει την ανίχνευση και τη γενετική ταυτοποίηση του βακτηρίου σε φυσικούς πληθυσμούς εντόμων. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε ανίχνευση και χαρακτηρισμός του βακτηρίου Wolbachia σε 78 συνολικά άτομα από 22 είδη αφίδων, από 26 φυσικούς πληθυσμούς από την Ελλάδα. Από αυτούς τους 26 πληθυσμούς, μόλις οι 4 βρέθηκαν να είναι μολυσμένοι με το βακτήριο Wolbachia και συγκεκριμένα πληθυσμοί των ειδών: Aphis fabae, Aphis hederae, Metopolophium dirhodum και Baizongia pistaciae. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν για πρώτη φορά ότι η παρουσία του βακτηρίου Wolbachia στις αφίδες είναι πιθανά πιο διαδεδομένη από ότι προέκυπτε από προηγούμενες μελέτες. Επίσης, μελετήθηκε η ανίχνευση και ο χαρακτηρισμός του βακτηρίου Wolbachia στα είδη Cydia splendana, Cydia fagiglandana και Pammene fasciana. Το βακτήριο Wolbachia ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά στα συγκεκριμένα είδη και μάλιστα διαπιστώθηκε ότι η συχνότητα εμφάνισής του ποικίλει τόσο μεταξύ των δύο ειδών Cydia όσο και μεταξύ των πληθυσμών του κάθε είδους. Στο είδος Pammene fasciana, το βακτήριο ανιχνεύθηκε σε όλα τα άτομα που μελετήθηκαν. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής συζητούνται από τη σκοπιά τόσο της οικολογικής και εξελικτικής σημασίας τους όσο και της προοπτικής χρησιμοποίησης του συμβιωτικού βακτηρίου Wolbachia για τον πληθυσμιακό έλεγχο επιβλαβών εντόμων όπως οι μύγες τσε-τσε, οι αφίδες και η καρπόκαψα καστανιάς. / Wolbachia is an intracellular and maternally inherited symbiotic bacterium that belongs to the class of Alphaproteobacteria and the order of Rickettsiales. It is the most ubiquitous intracellular symbiotic organism of the planet, since it has been estimated that over 40% of insect species, in addition to filarial nematodes, crustaceans, and arachnids are infected with Wolbachia. In arthropods Wolbachia affects the biological functions and properties of its hosts and it is responsible for a number of reproductive abnormalities, such as cytoplasmic incompatibility (CI), thelytokous parthenogenesis, feminization of genetic males and male killing. These unique biological characteristics of Wolbachia are attracting the interest of various researchers for: (a) decyphering the role of Wolbachia in evolutionary processes (mainly speciation), and (b) for its use in environmentally friendly applications for the control of agricultural pests and disease vectors. The species of genus Glossina (Diptera: Glossinidae) known as tsetse flies, have been found to be infected with Wolbachia. Tsetse flies are the sole vectors of pathogenic trypanosomes in tropical Africa, causing the “sleeping sickness” in humans and the “nagana” in animals. The potential use of Wolbachia for the control of tsetse flies, prerequisite a thorough knowledge of its genetic identity and the interactions with the host. To further characterize the prevalence of Wolbachia in tsetse flies an extensive screen of more than 5300 specimens from natural and laboratory populations of 11 different Glossina species originating from 13 African countries was carried out. Our results indicated a huge divergence in the prevalence of Wolbachia, both among the species and among populations of the same species. Further characterization by MLST and wsp genotyping was carried out for the Wolbachia strains of 29 representative populations and species of tsetse flies. An impressive genetic diversity of Wolbachia strains in tsetse flies was revealed. Interestingly, disconcordance between the phylogeny of Wolbachia and that of the tsetse flies was observed, suggesting horizontal transmission of Wolbachia during the evolution. Moreover, extended horizontal gene transfer events were detected for first time in Glossina morsitans morsitans, Glossina pallidipes και Glossina austeni. These results raise critical questions concerning: (a) the origin/mechanism of these horizontal gene transfer events, (b) their temporal determination, (c) their potential role as agents of speciation and (d) their selective appearance in only some Glossina species e.g in the subspecies Glossina morsitans centralis which is closely related with Glossina morsitans morsitans the phenomenon was not observed. Equally important will be to examine if genes from the chromosomal insertions were potentially expressed and examine if these genes are associated with the vectorial capacity of tsetse flies for the trypanosoma transmission. Finally, a negative correlation between the presence of Wolbachia with the Salivary Gland Hypertrophy Virus (SGHV) was identified. This is further discussed in the context of biological applications for control of tsetse fly-vector and trypanosomiasis. Finally in this thesis, the detection and characterization of Wolbachia in 78 specimens of 22 aphids species, from 26 natural populations, from Greece was examined. Only 4 out of 26 populations were found to be infected with Wolbachia, and specifically the species: Aphis fabae, Aphis hederae, Metopolophium dirhodum και Baizongia pistaciae. These results indicated that the presence of Wolbachia in aphids is probably more prevalent than it was derived from previous studies. Also, detection and characterization of Wolbachia in the Cydia splendana, Cydia fagiglandana and Pammene fasciana was carried out. Wolbachia was detected for first time in these species, and it was found that the prevalence of Wolbachia varies between the two species of Cydia and among populations of each species, with the infection in Pammene fasciana being fixed. At the end the ecological and evolutionary importance of Wolbachia, together with the use of the bacterium for the population control of harmful insects like tsetse flies, aphids and moths is further discussed.