Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Thesis (doctoral)--München, 1981.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Die dem Formenkreis der Dystonien zugrundeliegenden, pathophysiologischen Grundlagen sind bislang nicht abschließend geklärt. Für die DYT-TOR1A Dystonie ist bekannt, dass eine 3-bp Deletion eines GAG-Codons im TOR1A-Gen auf Chromosom 9 einen Funktionsverlust des Proteins TorsinA bewirkt. Dieser Funktionsverlust wird als auslösender Faktor für die Entstehung der DYT-TOR1A Dystonie angenommen. Nichtsdestotrotz entwickeln lediglich circa 30% der Mutationsträger eine dystone Bewegungsstörung. Als Grund dafür wird eine Two-hit Hypothese diskutiert, die zusätzlich zur genetischen Prädisposition einen Umweltfaktor wie ein peripheres Trauma für die Entstehung von Symptomen postuliert. Durch eine standardisierte Quetschläsion des N. ischiadicus konnte mit dieser Arbeit bei DYT1KI Mäusen, die die ∆GAG-Mutation im endogenen Genom tragen, ein dystoner Phänotyp hervorgerufen werden. Mit den Aufzeichnungen der Mäuse im TST wurde ein neuronales Netzwerk mittels der Software „DeepLabCut“ trainiert, sodass die Dystonie-ähnlichen Bewegungen automatisiert erfasst und ausgewertet werden konnten. Das Netzwerk trägt dazu bei, dem vorwiegend klinischen Syndrom der Dystonie eine objektive kinematische Charakterisierung zu bieten und kann auf andere TSTs anderer Nagermodelle übertragen werden. Ferner wurde überprüft, ob die beobachteten Bewegungen durch Unterschiede in der Regeneration nach der Nervenquetschung zustande kamen. Elektroneurographien zeigten jedoch diesbezüglich keine Unterschiede zwischen wt und DYT1KI Tieren. Darüber hinaus sind mikromorphologische Prozesse im zentralen und peripheren Nervensystem Gegenstand dieser Studie. Einerseits konnten wir mittels Immunzellfärbungen von T-, B-Zellen, Makrophagen und Mikroglia feststellen, dass sowohl zentral als auch peripher kein Anhalt darauf besteht, dass die beim DYT1KI Mausmodell entstandenen Dystonie-ähnlichen Bewegungen auf einer Dysfunktion oder Aktivierung des Immunsystems, wie es bei anderen neurologischen Erkrankungen bereits nachgewiesen wurde, eine Rolle spielt. Andererseits konnte anhand stereologischer Messungen gezeigt werden, dass bei den naiven DYT1KI Tieren im Vergleich zu wt Tieren dopaminerge Neurone der SN in der Anzahl verringert und im Volumen vergrößert sind, was auf einen Endophänotypen hinweist. Bei den symptomatischen, nervengequetschten DYT1KI Mäusen zeigte sich wiederum eine weitere, signifikante Zunahme der Hypertrophie der dopaminergen Neurone als Hinweis auf eine unmittelbar mit dem dystonen Phänotypen in Zusammenhang stehende Veränderung. Zusammenfassend konnte ein symptomatisches Mausmodell von hoher translationaler Bedeutung etabliert werden, in dem sich Hinweise für eine dopaminerge Dysregulation ergaben und welches für weitere Studien, insbesondere therapeutischer Art, eingesetzt werden könnte. / The pathophysiological principles underlying the types of dystonia have not yet been conclusively clarified. For DYT-TOR1A dystonia, it is known that a 3-bp deletion of a GAG codon in the TOR1A gene on chromosome 9 causes a loss of function of the protein TorsinA. This loss of function is believed to be a triggering factor for the development of DYT-TOR1A dystonia. Nevertheless, only around 30% of mutation carriers develop a dystonic movement disorder. The reason for this is believed to be a two-hit hypothesis, which postulates an environmental factor such as a peripheral trauma for the development of symptoms in addition to the genetic predisposition. In this work, we were able to induce a dystonic phenotype in DYT1KI mice that carry the ∆GAG mutation in their endogenous genome by a standardized crush lesion of the sciatic nerve. With recordings of the mice in the TST, a deep neural network was trained using the software “DeepLabCut” so that the dystonia-like movements could be automatically recorded and evaluated. The network contributes to providing an objective kinematic characterization of the predominantly clinical syndrome of dystonia and can be transferred to other TSTs from other rodent models. It was also checked whether the observed movements were caused by differences in regeneration after the nerve crush. However, electroneurography showed no differences between wt and DYT1KI animals in this regard. In addition, micromorphological processes in the central and peripheral nervous system are subject of this study. On the one hand, using immune cell staining of T cells, B cells, macrophages and microglia, we were able to determine that there is no evidence, both centrally and peripherally, that the dystonia-like movements developed in the DYT1KI mouse model are due to a dysfunction or activation of the immune system, as it has already been proven to play a role in other neurologic diseases. On the other hand, stereological measurements showed that dopaminergic neurons in the SN were reduced in number and increased in volume in naive DYT1KI animals compared to wt animals, indicating an endophenotype. In the symptomatic, nerve-crushed DYT1KI mice, there was again a further, significant increase in the hypertrophy of the dopaminergic neurons, indicating a change directly related to the dystonic phenotype. In summary, a symptomatic mouse model of high translational importance was established, in which there was evidence of dopaminergic dysregulation and which could be used for further studies, particularly of a therapeutic nature.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Habil.-Schr., 2003.

Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2009.

Freie Universiẗat, Diss., 2004--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Early-onset torsion dystonia (DYT-TOR1A, DYT1) is an inherited hyperkinetic movement disorder caused by a mutation of the TOR1A gene encoding the torsinA protein. DYT-TOR1A is characterized as a network disorder of the central nervous system (CNS), including predominantly the cortico-basal ganglia-thalamo-cortical loop resulting in a severe generalized dystonic phenotype. The pathophysiology of DYTTOR1A is not fully understood. Molecular levels up to large-scale network levels of the CNS are suggested to be affected in the pathophysiology of DYT-TOR1A. The reduced penetrance of 30% - 40% indicates a gene-environmental interaction, hypothesized as “second hit”. The lack of appropriate and phenotypic DYT-TOR1A animal models encouraged us to verify the “second hit” hypothesis through a unilateral peripheral nerve trauma of the sciatic nerve in a transgenic asymptomatic DYT-TOR1A rat model (∆ETorA), overexpressing the human mutated torsinA protein. In a multiscale approach, this animal model was characterized phenotypically and pathophysiologically. Nerve-injured ∆ETorA rats revealed dystonia-like movements (DLM) with a partially generalized phenotype. A physiomarker of human dystonia, describing increased theta oscillation in the globus pallidus internus (GPi), was found in the entopeduncular nucleus (EP), the rodent equivalent to the human GPi, of nerve-injured ∆ETorA rats. Altered oscillation patterns were also observed in the primary motor cortex. Highfrequency stimulation (HFS) of the EP reduced DLM and modulated altered oscillatory activity in the EP and primary motor cortex in nerve-injured ∆ETorA rats. Moreover, the dopaminergic system in ∆ETorA rats demonstrated a significant increased striatal dopamine release and dopamine turnover. Whole transcriptome analysis revealed differentially expressed genes of the circadian clock and the energy metabolism, thereby pointing towards novel, putative pathways in the pathophysiology of DYTTOR1A dystonia. In summary, peripheral nerve trauma can trigger DLM in genetically predisposed asymptomatic ΔETorA rats leading to neurobiological alteration in the central motor network on multiple levels and thereby supporting the “second hit” hypothesis. This novel symptomatic DYT-TOR1A rat model, based on a DYT-TOR1A genetic background, may prove as a valuable chance for DYT-TOR1A dystonia, to further investigate the pathomechanism in more detail and to establish new treatment strategies. / Früh beginnende Torsionsdystonie (DYT-TOR1A, DYT1) ist eine genetisch bedingte hyperkinetische Bewegungsstörung, die aufgrund einer Mutation im TOR1A Gen verursacht wird, welches für das TorsinA-Protein codiert. DYT-TOR1A wird als zentrale Netzwerkstörung bezeichnet und betrifft hauptsächlich die kortiko-striatothalamo-kortikale Funktionsschleife, welches schließlich zu einem schweren generalisierten dystonen Phänotyp führt. Die Pathophysiologie von DYT-TOR1A ist nicht vollständig verstanden, man geht jedoch davon aus, dass Ebenen im Zentralnervensystem von molekularer Basis bis hin zu ganzen Netzwerken betroffen sind. Die reduzierte Penetranz von nur 30% bis 40% deutet auf eine Gen-UmweltInteraktion hin, im Sinne einer „2-Treffer-Hypothese“. Auch das Fehlen eines adäquaten DYT-TOR1A Tiermodelles hat uns dazu veranlasst, die „2-TrefferHypothese“ zu verifizieren, indem eine unilaterale periphere Quetschläsion des Nervus ischiadicus in einem transgenen, asymptomatischen DYT-TOR1A Rattenmodell (∆ETorA) durchgeführt wurde, welches das humane mutierte TorsinA-Protein überexprimiert. Das Tiermodell wurde phänotypisch und pathophysiologisch auf verschiedenen Analysenebenen charakterisiert. ∆ETorA Ratten mit Quetschläsion entwickelten Dystonie-ähnliche Bewegungen (DLM) mit teilweise generalisiertem Phänotyp. Erhöhte Theta-Oszillationen im Globus pallidus internus (GPi) sind bezeichnend für die humane Dystonie, welche auch im Nucleus entopeduncularis (EP), dem Äquivalent zum humanen GPi, von ∆ETorA Ratten mit Quetschläsion nachgewiesen wurden. Veränderte oszillatorische Muster wurden auch im primären Motorkortex gefunden. Hochfrequenz-Stimulation (HFS) des EP konnte das klinische Erscheinungsbild verbessern und hatte zudem auch einen modulatorischen Effekt auf die veränderte oszillatorische Aktivität des EP und des primären Motorcortex von ∆ETorA Ratten mit Quetschläsion. Auch das veränderte dopaminerge System erwies sich als ein pathologisches Merkmal in ∆ETorA Ratten. Es fand sich eine erhöhte striatale Ausschüttung von Dopamin und ein erhöhter Dopaminumsatz. In der Transkriptomanalyse kamen die zirkadiane Uhr und der Energiemetabolismus als weitere potentielle Signalwege in der Pathophysiologie der DYT-TOR1A Dystonie zum Vorschein. Zusammengefasst konnten DLM in genetisch prädisponierten, asymptomatischen ΔETorA Ratten mittels peripheren Nerventraumas ausgelöst werden, welches zu neurobiologischen Veränderungen in verschiedenen Ebenen des zentralen motorischen Netzwerk führte. Somit konnte die „2-Treffer-Hypothese“ bestätigt werden. Dieses neue symptomatische DYT-TOR1A Rattenmodell, fundiert auf der genetischen Grundlage von DYT-TOR1A, kann sich als wertvolle Möglichkeit für die DYT-TOR1A Dystonie erweisen, um Pathomechanismen genauer zu untersuchen und neue Behandlungsstrategien zu entwickeln.

Ce travail précise le rôle du cervelet dans la physiopathologie de la dystonie. Nous étudions comment le cervelet contrôle le développement et l’étendue de la plasticité sensorimotrice, celle-ci étant anormale dans la dystonie. Nous démontrons l’implication du cervelet dans la dystonie en constatant des performances anormales à une tâche d’adaptation sensorimotrice dépendant du cervelet. (Hubsch et al., 2011) Puis chez des sujets sains, en utilisant des techniques d’induction de plasticité cérébrale nous démontrons que le cervelet module la plasticité corticale reposant sur des afférences sensorielles. Ainsi, une inhibition du cortex cérébelleux amplifie la réponse du cortex à un protocole d’induction de plasticité sensorimotrice, une excitation du cortex cérébelleux bloque la réponse du cortex à ce protocole. (Popa et al., 2013) Avec les mêmes méthodes, nous étudions le rôle du cervelet dans la modulation de la plasticité du cortex sensori-moteur chez des sujets atteints de dystonie focale. Dans la crampe de l’écrivain, le cervelet n’exerce plus ce rôle modulateur de la plasticité sensorimotrice: il n’y a ni inhibition ni renforcement du phénomène de plasticité induit par une modulation des sorties cérébelleuses. (Hubsch et al., 2013)Dans la dystonie cervicale, il persiste une modulation de la plasticité sensorimotrice par le cervelet mais cette modulation a une direction opposée par rapport aux sujets sains contrôles. Par des expériences complémentaires, nous démontrons que le contrôle cérébelleux sur la plasticité corticale sensorimotrice est adaptatif aux afférences proprioceptives de la nuque possiblement en rapport avec la construction de l’espace égocentré. / This study specifies the role of the cerebellum in the physiopathology of dystonia. We study how the cerebellum controls the development and the extent of sensorimotor plasticity, this one being abnormal in dystonia. We show the implication of the cerebellum in dystonia by noting abnormal performances with a task of sensorimotor adaptation depending on cerebellum. (Hubsch and al., 2011) Then with healthy subjects, by using techniques of cerebral plasticity’s induction we show that the cerebellum modulates cortical plasticity depending on sensory afferents. Thus, an inhibition of the cerebellar cortex amplifies the response of the cortex to a protocol of induction of sensorimotor plasticity, an excitation of the cerebellar cortex blocks the response of the cortex to this protocol. (Popa and al., 2013) With the same methods, we study the role of the cerebellum in the modulation of the plasticity of the sensorimotor cortex with dystonic subjects. In writer's cramp, the cerebellum does not exert any more this modulating role of sensorimotor plasticity: there is neither inhibition nor reinforcement of the phenomenon of plasticity induced by a modulation of the cerebellar outputs. (Hubsch and al., 2013) In the cervical dystonia, it persists a modulation of sensorimotor plasticity by the cerebellum but this modulation has a direction opposed compared to the healthy subjects. By complementary experiments, we show that cerebellar control on cortical sensorimotor plasticity is adaptive with the proprioceptive afferents of the neck possibly in keeping with the construction of egocentric space.

Der Schreibkrampf ist eine Form der fokalen Handdystonie, die durch anhaltende, unwillkürliche Verkrampfung der Hand beim Schreiben gekennzeichnet ist und zu unnatürlicher, zum Teil statischer und schmerzhafter Handhaltung führt. Bei prädisponierten Personen kann dieser nach exzessiver Wiederholung von stereotypen Bewegungen auftreten. Bewegungen und sensible Stimulation führen durch Mechanismen neuronaler Plastizität zu dynamischer Modulation sensibler und motorischer kortikaler Repräsentationen. Wird neuronale Plastizität nicht in natürlichen Grenzen gehalten, kann es zu veränderten, entdifferenzierten neuronalen Repräsentationen wie sie bei fokaler Handdystonie gefunden werden, führen. Zelluläre Kandidatenmechanismen für die Bildung neuronaler Engramme sind die Langzeitpotenzierung und –depression (LTP / LTD) neuronaler Synapsen. Wir verwendeten die als ein Modell für assoziative LTP und LTD beim Menschen entwickelte assoziative Paarstimulation (PAS). Mit dieser Methode untersuchten wir die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften neuronaler Plastizität des Motorkortex bei Schreibkrampf-Patienten. Eine niederfrequente elektrische Stimulation eines peripheren Nerven (N. medianus (MN) oder N. ulnaris (UN)) wurde wiederholt (0,1Hz, 180 Reizpaare) mit einer transkraniellen Magnetstimulation (TMS) über dem homotopen kontralateralen Motorkortex mit einem Zeitintervall von 21,5ms (MN-PAS21.5; UN-PAS21.5) oder 10ms (MN-PAS10) kombiniert. Bei MN-PAS21.5 und MN-PAS10 wurde die optimale Spulenposition so gewählt, dass das magnetisch evozierte motorische Potential (MEP) im kontralateralen M. abductor pollicis brevis (APB) eine maximale Größe annahm, für UN-PAS21.5 wurde die Spule über dem "Hotspot" des M. abductor digiti minimi (ADM) platziert. Zehn Schreibkrampf-Patienten (Alter 39±9 Jahre; Mittelwert±Standardabweichung) und 10 gesunde bezüglich Alter und Geschlecht angepasste Probanden wurden untersucht. Veränderungen der Exzitabilität wurden mittels TMS bis zu 85 min nach der jeweiligen Intervention gemessen. Nach MN-PAS21.5 oder UN-PAS21.5 stieg die Amplitude der MEPs bei den gesunden Probanden nur in den Muskeln, die homotope externe PAS Stimulation erhalten hatten (APB Zielmuskel für MN; ADM für UN), nicht aber in Muskeln, die nicht homotop stimuliert worden waren. Im Gegensatz dazu stiegen bei Schreibkrampf-Patienten nach MN-PAS21.5 oder UN-PAS21.5 die Amplituden der APB und ADM-MEPs unabhängig von dem Ort der peripheren oder zentralen Stimulation. Bei Schreibkrampf-Patienten war eine frühere, stärkere und längere Zunahme der kortikalen Exzitabilität im Vergleich zu den Kontrollen zu verzeichnen. Qualitativ ähnliche Beobachtungen konnten in umgekehrtem Sinne (frühere und längere Abnahme der Exzitabilität im homo- und heterotopen Muskel) nach MN-PAS10 gemacht werden. LTP- und LTD-ähnliche Plastizität ist bei Schreibkrampf-Patienten demnach gesteigert und die normale strenge topographische Spezifität PAS-induzierter Plastizität aufgehoben. Diese maladaptive Plastizität könnte ein Bindeglied zwischen repetitiven Bewegungen und gestörter sensomotorischer Repräsentation darstellen, damit zu einem besseren Verständnis der Pathophysiologie der Dystonie beitragen und letztendlich mögliche therapeutische Konsequenzen implizieren. / Neuronal plasticity is to be kept within operational limits to serve its purpose as a safe memory system that shapes and focuses sensory and motor representations. Temporal and spatial properties of motor cortical plasticity were assessed in patients with writer's cramp (WC) using a model of long-term potentiation (LTP) and long-term-depression (LTD) of synaptic efficacy. Paired associative stimulation (PAS) combined repetitive electric stimulation of the median or ulnar nerve with subsequent transcranial magnetic stimulation of the contralateral dominant motor cortex at 21.5ms (MN-PAS21.5; UN-PAS21.5) or 10ms (MN-PAS10). Motor evoked potentials were recorded from abductor pollicis brevis (APB) muscle and abductor digiti minimi (ADM) muscles in 10 WC patients and 10 matched healthy control subjects. Following MN-PAS21.5 or UN-PAS21.5 in non-dystonic subjects, motor responses increased if the afferent PAS-component came from a homologous peripheral region and remained stable with a non-homologous input. In contrast, following either MN-PAS21.5 or UN-PAS21.5, both APB- and ADM-amplitudes increased in WC-patients. Compared to controls, this increase started earlier, its magnitude was larger and its duration longer. Following MN-PAS10 in controls, APB-amplitudes decreased, while ADM-amplitudes increased. In WC, the decrease of APB-amplitudes started earlier and lasted longer. Of note, ADM-amplitudes were decreased, too. In WC, LTP-like as well as LTD-like plasticity are abnormal with respect to both gain and spatial organization. Findings may help to develop a pathophysiological model explaining core features of focal dystonia.