En los últimos años se ha tratado de profundizar en el estudio de los mecanismos moleculares a nivel hipotalámico responsables de regular el balance energético. En la actualidad se conoce que el metabolismo de los ácidos grasos a nivel hipotalámico juega un papel muy importante en el control del apetito. Más concretamente, se ha descrito que los niveles de malonil-CoA o de aciles-CoA son reconocidos por las neuronas del hipotálamo como señales intracelulares del estado nutricional del organismo. Las enzimas carnitina palmitoiltransferasa 1 (CPT1), tienen como sustrato los aciles-CoA y como inhibidor fisiológico el malonil-CoA, situándose así como enzimas clave en la regulación de los niveles intracelulares de estos metabolitos. Las isoformas CPT1A i B, localizadas en la membrana mitocondrial externa, se encargan de internalizar los aciles-CoA a la mitocondria para que sean oxidados. Así, efectivamente, el papel de CPT1A hipotalámica en el control del apetito y de la homeostasis de la glucosa fue demostrada por varios grupos de investigación. Por otro lado, más recientemente, en 2002, se descubrió una isoforma exclusivamente neuronal, CPT1C, que se localiza en retículo endoplasmático y con afinidades similares al sustrato acil-CoA y al inhibidor malonil-CoA, a pesar de no tener actividad carnitina palmitoiltransferasa. Desde entonces se ha demostrado que CPT1C modula los niveles de otra familia de lípidos intracelulares, las ceramidas, y que éstas son necesarias para la acción neuroendocrina de las hormonas leptina i grelina. Además, el papel de CPT1C en el control dela homeostasis energética se hizo evidente en varios estudios que muestran un fenotipo hipometabólico de ratones deficientes de CPT1C en situación de ayuno y de dieta rica en grasas. En esta tesis se ha estudiado qué papel tiene CPT1C en el control de la homeostasis energética. Para ello se han realizado dos aproximaciones distintas. En primer lugar se ha estudiado qué vías del metabolismo intermediario periférico están reguladas por CPT1C en ratones deficientes de esta proteína en distintas situaciones de estrés metabólico. En segundo lugar se ha estudiado el papel de CPT1C en el metabolismo lipídico neuronal y en los procesos necesarios para la regulación hipotalámica de la homeostasis energética. Los resultados obtenidos demuestran que CPT1C es necesaria para la adaptación metabólica al ayuno y al torpor y producir el switch a nivel periférico hacia la oxidación de las grasas frente a la de carbohidratos. Por otro lado, la deficiencia de CPT1C perjudica el metabolismo energético mitocondrial y el flujo de lípidos intracelulares a nivel hipotalámico. Asimismo, hemos podido demostrar que en conjunto, estas alteraciones tienen un efecto acumulativo a largo plazo, produciendo obesidad asociada a la edad y un envejecimiento global precoz. Por consiguiente, los resultados confirman el importante papel de CPT1C en la regulación de la homeostasis energética. Del mismo modo que aportan nuevos datos sobre los mecanismos que deben ocurrir, tanto a nivel central como periférico, de forma adecuada para evitar la aparición de un desequilibrio en el balance energético. Situando a CPT1C como posible diana terapéutica en el tratamiento de la obesidad.

La sensibilidad al dolor y el riesgo sufrir dolor crónico representan fenómenos complejos de naturaleza multidimensional, con una importante variabilidad interindividual. El objetivo de esta tesis doctoral se centró en explorar los factores genéticos y psicosociales implicados en la modulación del dolor y el riesgo a sufrir dolor crónico mediante seis estudios. Los dos primeros exploraron el efecto de factores genéticos y de la edad de inicio de la menopausia en la sensibilidad al dolor en pacientes con fibromialgia en comparación con voluntarias sanas. El primer estudio reveló un incremento de la frecuencia de alelos asociados a una reducida actividad de la enzima COMT en pacientes con síndrome de fibromialgia, junto con una elevada sensibilidad al dolor en estos grupos. El segundo estudio mostró que las pacientes con fibromialgia presentaron una edad de inicio de la menopausia más temprana que las controles. Asimismo, se encontró que las pacientes con menopausia temprana mostraban mayor sensibilidad al dolor que las pacientes con aparición tardía de la menopausia. Los dos siguientes examinaron el papel de factores genéticos en la actividad metabólica cerebral asociada al dolor, la respuesta de analgesia por placebo y en una tarea de funciones ejecutivas. El tercer estudio reveló que el alelo met66 del polimorfismo Val66Met en el gen BDNF se asociaba a un fenotipo de vulnerabilidad, resistencia a la analgesia por placebo, incrementos en la actividad dopaminérgica durante el procesamiento de dolor y reducciones durante la condición placebo. Asimismo, se observó que estos efectos eran dependientes del género del sujeto, con una mayor exacerbación en mujeres y con efectos nulos en hombres. El cuarto estudio mostró aumentos en la actividad del sistema opioide asociados a la respuesta de analgesia por placebo en portadores del alelo C del polimorfismo funcional C385A del gen FAAH. Por otro lado, no se encontraron diferencias significativas debidas a este polimorfismo en la respuesta al dolor en ausencia de placebo, ni en la activación del sistema dopaminérgico. Finalmente, los dos últimos estudios exploraron la modulación social analizando cambios en la actividad eléctrica cerebral como consecuencia de la observación de dolor y tacto en otros. El quinto estudio mostró diferencias en los potenciales evocados visuales en función de la percepción de expresiones faciales de dolor y enfado. El sexto estudio reveló que la observación de experiencias somatosensoriales dolorosas y no dolorosas en otras personas modulaba la amplitud de los potenciales somatosensoriales. Todos estos datos subrayan la naturaleza multidimensional de la respuesta al dolor y resaltan el papel de los factores genéticos y psicosociales en la persistencia del dolor a lo largo del tiempo. / Pain sensitivity and risk for chronic pain constitute complex multidimensional phenomena that vary significantly among individuals. The objective of the present Doctoral Thesis was focused on exploring genetic and psychosocial factors involved in the modulation of pain and chronic pain risk throughout six studies. The first two studies explored the effect of genetic factors and age-of-onset of menopause in pain sensitivity in fibromyalgia patients as compared to healthy volunteers. The first study showed an increased frequency of alleles associated with a reduced activity of COMT enzyme in patients with fibromyalgia syndrome, coupled with high sensitivity to pain in these groups. The second study showed that patients with fibromyalgia had an ageof- onset of menopause earlier than controls. We also found that patients with early menopause showed higher pain sensitivity than patients with late age-of-onset of menopause. The next two studies explored brain metabolic activity in response to pain and placebo analgesia and during an executive function task. The third study revealed that met66 allele of the Val66Met polymorphism in the BDNF gene was associated with a phenotype of vulnerability, strength, placebo analgesia, increases in dopaminergic activity during the processing of pain and reductions during the placebo condition. It was also noted that these effects were dependent on gender, being exacerbated in women as compared to men. The fourth study showed increases in placebo analgesia and in placebo-induced opioid activity in the C385 allele of the functional polymorphism C385A of the FAAH gene. Furthermore, there were no significant differences due to this polymorphism in the pain response in absence of placebo, or in dopaminergic system activation. Finally, the latter two studies explored the social modulation of brain electrical activity during observation of pain and somatosensory experiences in other´s. The fifth study showed differences in visual evoked potentials during the sight of pain and anger faces. The sixth study showed that observation of painful and non-painful experiences in others modulated the amplitude of somatosensory evoked potentials in the onlooker. These data underscore the multidimensional nature of pain response and highlight the role of genetic and psychosocial factors in the persistence of pain.

La La sensibilidad al dolor y el riesgo sufrir dolor crónico representan fenómenos complejos de naturaleza multidimensional, con una importante variabilidad interindividual. El objetivo de esta tesis doctoral se centró en explorar los factores genéticos y psicosociales implicados en la modulación del dolor y el riesgo a sufrir dolor crónico mediante seis estudios. Los dos primeros exploraron el efecto de factores genéticos y de la edad de inicio de la menopausia en la sensibilidad al dolor en pacientes con fibromialgia en comparación con voluntarias sanas. El primer estudio reveló un incremento de la frecuencia de alelos asociados a una reducida actividad de la enzima COMT en pacientes con síndrome de fibromialgia, junto con una elevada sensibilidad al dolor en estos grupos. El segundo estudio mostró que las pacientes con fibromialgia presentaron una edad de inicio de la menopausia más temprana que las controles. Asimismo, se encontró que las pacientes con menopausia temprana mostraban mayor sensibilidad al dolor que las pacientes con aparición tardía de la menopausia. Los dos siguientes examinaron el papel de factores genéticos en la actividad metabólica cerebral asociada al dolor, la respuesta de analgesia por placebo y en una tarea de funciones ejecutivas. El tercer estudio reveló que el alelo met66 del polimorfismo Val66Met en el gen BDNF se asociaba a un fenotipo de vulnerabilidad, resistencia a la analgesia por placebo, incrementos en la actividad dopaminérgica durante el procesamiento de dolor y reducciones durante la condición placebo. Asimismo, se observó que estos efectos eran dependientes del género del sujeto, con una mayor exacerbación en mujeres y con efectos nulos en hombres. El cuarto estudio mostró aumentos en la actividad del sistema opioide asociados a la respuesta de analgesia por placebo en portadores del alelo C del polimorfismo funcional C385A del gen FAAH. Por otro lado, no se encontraron diferencias significativas debidas a este polimorfismo en la respuesta al dolor en ausencia de placebo, ni en la activación del sistema dopaminérgico. Finalmente, los dos últimos estudios exploraron la modulación social analizando cambios en la actividad eléctrica cerebral como consecuencia de la observación de dolor y tacto en otros. El quinto estudio mostró diferencias en los potenciales evocados visuales en función de la percepción de expresiones faciales de dolor y enfado. El sexto estudio reveló que la observación de experiencias somatosensoriales dolorosas y no dolorosas en otras personas modulaba la amplitud de los potenciales somatosensoriales. Todos estos datos subrayan la naturaleza multidimensional de la respuesta al dolor y resaltan el papel de los factores genéticos y psicosociales en la persistencia del dolor a lo largo del tiempo. / Pain sensitivity and risk for chronic pain constitute complex multidimensional phenomena that vary significantly among individuals. The objective of the present Doctoral Thesis was focused on exploring genetic and psychosocial factors involved in the modulation of pain and chronic pain risk throughout six studies. The first two studies explored the effect of genetic factors and age-of-onset of menopause in pain sensitivity in fibromyalgia patients as compared to healthy volunteers. The first study showed an increased frequency of alleles associated with a reduced activity of COMT enzyme in patients with fibromyalgia syndrome, coupled with high sensitivity to pain in these groups. The second study showed that patients with fibromyalgia had an ageof- onset of menopause earlier than controls. We also found that patients with early menopause showed higher pain sensitivity than patients with late age-of-onset of menopause. The next two studies explored brain metabolic activity in response to pain and placebo analgesia and during an executive function task. The third study revealed that met66 allele of the Val66Met polymorphism in the BDNF gene was associated with a phenotype of vulnerability, strength, placebo analgesia, increases in dopaminergic activity during the processing of pain and reductions during the placebo condition. It was also noted that these effects were dependent on gender, being exacerbated in women as compared to men. The fourth study showed increases in placebo analgesia and in placebo-induced opioid activity in the C385 allele of the functional polymorphism C385A of the FAAH gene. Furthermore, there were no significant differences due to this polymorphism in the pain response in absence of placebo, or in dopaminergic system activation. Finally, the latter two studies explored the social modulation of brain electrical activity during observation of pain and somatosensory experiences in other´s. The fifth study showed differences in visual evoked potentials during the sight of pain and anger faces. The sixth study showed that observation of painful and non-painful experiences in others modulated the amplitude of somatosensory evoked potentials in the onlooker. These data underscore the multidimensional nature of pain response and highlight the role of genetic and psychosocial factors in the persistence of pain.

Cognitive impairment in the elderly encompasses many forms, ranging from subtle impairments in otherwise cognitively healthy individuals through mild cognitive impairment and dementia. Brain structural and functional changes underlie the observed cognitive impairment. Complementary to the clinical observation, biomarkers have been proposed as in vivo indicators of the underlying pathophysiology and neurobiological changes in a sufficiently reliable manner that they could be used to detect, track, and predict the disease course over time. In this thesis we used a combination of epidemiological and clinic-based approaches to investigate the mechanisms underlying vascular cognitive impairment (VCI) and Alzheimer’s disease (AD) and to identify possible biomarkers that could help early diagnosis of such conditions. To do so, a set of circulating and cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers were studied in healthy and cognitively impaired subjects. Then, these measures were related to grey matter (GM) volumes, white matter (WM) integrity and cognition. The first two studies are part of the population-based Barcelona-ASIA neuropsychology study. Study I aimed to compare the cognitive patterns of risk markers for cerebrovascular disease (CVD) with the cognitive profile in relation to novel and traditional vascular risk factors (VRF) in a community-dwelling sample. Biomarkers of inflammation, endothelial dysfunction and vascular thrombosis were selected. Results showed that VRF and circulating markers of inflammation and endothelial dysfunction predicted performance in several cognitive domains. Cognitive patterns of inflammatory markers overlapped those related to VRF. Markers of endothelial dysfunction predicted lower performance in verbal memory. Study II was designed to further explore the structural changes mediating the relationships between risk markers of CVD and cognition. For that purpose the same set of markers of risk for CVD were related to GM atrophy and WM integrity and cognition. The main finding was an association of inflammation and vascular thrombosis with WM integrity loss in cortico-subcortical pathways and association fibres of frontal and temporal lobes. As expected, none of the biomarkers was related to GM volume changes. Vascular thrombosis also predicted lower performance in processing speed. The third study is a memory clinic-based investigation that was conducted aiming to test the potential use of CSF biomarkers cut-offs as components for the diagnostic work-up in AD. We assessed GM and cognitive patterns in cognitively impaired subjects using CSF Aβ1-42, t-tau and p-tau181 cut-offs as grouping criteria. Results indicated that patients with abnormal CSF levels of t-tau and p-tau (but not Aβ1-42) showed impairment and signs of regional GM atrophy in brain regions characteristic for AD, compared to those with normal levels. More specifically, GM volume differences were found in temporal, inferior parietal, lateral occipital and widespread prefrontal regions. Studies I and II show that risk markers of inflammation and vascular thrombosis are related to a VCI profile for both cognitive patterns and structural brain changes. A microvascular damage of WM projections in fronto-subcortical pathways, but not GM atrophy, could mediate the association between these pathogenic processes and cognitive performance. Markers of endothelial dysfunction are related to a different cognitive pattern which is characteristic of both vascular and neurodegenerative mechanisms. Study III provides evidence that patients with abnormal CSF levels of t-tau and p-tau (but not Aβ1-42) show cognitive an AD profile according to GM density patterns and cognitive impairment. Taken together, these results suggest that, complementary to the clinical observation, plasma and CSF markers and structural imaging are well placed to improve early diagnosis of both VCI and AD. / El terme deteriorament cognitiu (DC) es refereix al contínuum de canvis cognitius associats a l’envelliment sa i patològic. El diagnòstic precoç de les persones amb DC és clau, ja que els tractaments són més eficaços quan s’inicien als inicis de la malaltia. Els biomarcadors s’han proposat com a eines pel diagnòstic precoç del DC i la demència. Es consideren indicadors in vivo de la patologia i s’han plantejat com a possibles eines pel diagnòstic, pronòstic i seguiment del DC i la patologia subjacent. L’objectiu general de la present tesi era explorar els mecanismes patofisiològics subjacents al deteriorament cognitiu vascular (DCV) i la (MA). Per aquest motiu, vàrem mesurar diversos biomarcadors sanguinis i de LCR en persones sanes i en persones amb diagnòstic de deteriorament cognitiu i vàrem relacionar-los amb canvis de l’estructura cerebral i de la cognició. L’objectiu final era identificar possibles biomarcadors pel diagnòstic precoç d’aquestes malalties. Els estudis I i II s’emmarquen dins del projecte Barcelona-ASIA Neuropsicologia i tenien com a objectiu estudiar la relació entre biomarcadors en plasma de malaltia vascular cerebral (MVC) i canvis estructurals i cognitius. Els resultats obtinguts mostren que els biomarcadors d’inflamació i trombosi vascular es relacionen amb un perfil de deteriorament cognitiu vascular tant a nivell cognitiu com estructural. La lesió microvascular dels tractes de SB còrtico-subcorticals mediaria l’associació entre aquests mecanismes i la cognició. Els marcadors de disfunció endotelial es relacionen amb un perfil cognitiu diferent, que és característic tant de processos vasculars com neurodegeneratius. L’estudi III té com a objectiu valorar el possible ús dels biomarcadors de líquid cefaloraquidi pel diagnòstic de la MA. En concret, vàrem estudiar els perfils estructurals i cognitius en persones amb deteriorament cognitiu emprant punts de tall de líquid cefaloraquidi com a criteri d’agrupació. Els resultats mostren que pacients amb DC i amb nivells patològics de t-tau i p-tau al LCR (però no d’Aβ1-42) presenten un perfil cognitiu i estructural de MA. En conclusió, els resultats obtinguts en la present tesi suggereixen que, complementaris a l’observació clínica, els biomarcadors de LCR i plasma, així com els indicadors de morfologia cerebral podrien ser d’ús pel diagnòstic precoç del DCL i la demència.

BACKGROUND: Spinal muscular atrophy (SMA) is a neuromuscular disease characterized by degeneration and loss of spinal cord motor neurons leading to denervation and muscular atrophy. It is caused by defects in the Survival Motor Neuron 1 gene (SMN1) and it is classified by age of onset and motor milestones into three main types which strongly correlate with the copy number of its homologous gene, SMN2. SMN2 expresses markedly less full‐length protein than SMN1, provoking disease manifestations. The essential neuropathological feature in SMA is motor neuron death. Previous studies in SMA foetal samples showed early pathological changes in spinal cord suggesting that the disease is a developmental disorder. Studies in mouse SMA models support that neuromuscular junctions (NMJs) may play a significant role in the disease, although this implication has not yet been addressed in humans. AIMS AND METHODOLOGIES: To better understand the mechanisms of SMA disease, a comprehensive histologic, immunohistochemical and ultrastructural analysis of the muscle and neuromuscular junctions in prenatal and postnatal SMA samples was carried out. To further correlate neuropathological findings with early developmental manifestations of the disease, foetal motility between 11‐14 gestational weeks was recorded and analyzed by 2D ultrasound in pregnancies predicted to develop SMA. RESULTS: At 12 weeks, most SMA myotubes were smaller than controls, indicating a delay in muscle maturation. At this stage, the presence of early acetylcholine receptor (AChR) clusters in developing SMA muscles suggested that pre‐patterned and nerve‐independent AChR clustering would not be affected by the disease. However, as development proceeded in the following weeks, early degeneration of nerve terminals was present associated with a dispersion of AChRs and abnormal preterminal accumulation of vesicles. These findings pointed towards a defect in maintenance of the initial innervation in developmental SMA muscle. Furthermore, postnatal muscle of type I SMA patients showed persistence of the foetal subunit of acetylcholine receptors, suggesting a continuous delay in maturation of neuromuscular junctions. Therefore, if nerve terminals are unable to efficiently maintain functional NMJs, a dying‐back process leading to motor neuron degeneration and loss may appear, with the consequent increase in programmed cell death. Despite all these early neuropathological findings, we did not observe qualitative differences in foetal movements between unaffected and SMA prenatal cases. The synaptic defects in SMA at this stage of development, therefore, might be compensated by several mechanisms. During perinatal and postnatal periods compensation would no longer be present, resulting in the drastic SMA pathology and clinical manifestations. CONCLUSIONS: These developmental studies open new possibilities to improve our knowledge of presymptomatic SMA stages. Early therapeutic strategies should be investigated to reverse the process of denervation, maintain activity of the NMJ, and improve maturity of the motor endplates. / INTRODUCCIÓN: La atrofia muscular espinal (AME) es una enfermedad neuromuscular infantil caracterizada por la muerte de las neuronas motoras del asta anterior de la médula espinal. Como consecuencia de ello hay una degeneración y atrofia muscular, por lo que los pacientes mueren a menudo de insuficiencias respiratorias graves. La AME se clasifica en tres tipos principales según el grado de gravedad, la edad de aparición y las pautas motoras. Se trata de una enfermedad con patrón de herencia autosómico recesivo causada por ausencia o mutaciones en el gen Survival Motor Neuron 1 (SMN1). Existe un gen homólogo, SMN2, que está presente en todos los pacientes aunque a diferencia del SMN1, produce mucha menor proteína SMN completa y, por lo tanto, no evita la aparición de la enfermedad. Sin embargo se ha demostrado una importante correlación con el tipo de AME y el número de copias de SMN2. El rasgo patológico esencial de la AME es la muerte de las neuronas motoras. Estudios hechos en muestras fetales indican que ya existen hallazgos patológicos en el estadio prenatal lo que sugiere que la AME sería un trastorno del desarrollo. Además en modelos de ratón AME se ha determinado que la unión neuromuscular tendría un papel importante en la patogenia de la enfermedad aunque en humanos todavía no existen investigaciones al respecto. OBJETIVOS Y METODOLOGÍA: Con el fin de profundizar en los conocimientos de la patogenia de la AME, en esta tesis se ha realizado un análisis histológico, inmunohistoquímico y utraestructural del músculo y la unión neuromuscular en muestras prenatales y postnatales de controles y AME. Paralelamente, se han correlacionado los resultados neuropatológicos obtenidos con el estudio de la motilidad fetal por ecografía 2D entre las 11 y 14 semanas de gestación en embarazos diagnosticados genéticamente como AME. RESULTADOS: A partir de las 12 semanas, los miotubos AME son más pequeños que los controles lo que es compatible con un retraso en la maduración muscular. En esta etapa, la presencia de receptores de acetilcolina agrupados en músculo AME sugiere que éste es capaz de formar la placa neuromuscular. Sin embargo en semanas posteriores se observa una degeneración temprana de los terminales nerviosos asociados a una dispersión de los receptores de acetilcolina y acumulación anormal de vesículas presinápticas. Esto indica que en este período uno de los principales defectos sería la falta de mantenimiento de la unión neuromuscular. El músculo postnatal AME muestra persistencia de la expresión del receptor fetal de acetilcolina que refuerza la idea de una maduración retardada de la unión neuromuscular que persiste durante todo el desarrollo. La falta de mantenimiento de las uniones neuromusculares justificaría el inicio de un proceso de muerte retrograda (“dying back process”) dando lugar a una excesiva pérdida de neuronas motoras en la médula espinal. El estudio de los movimientos fetales, sin embargo, no demostró diferencias cualitativas entre los fetos normales y los AME. La falta de correlación entre la neuropatología descubierta en los fetos con AME tipo I y la presencia de movimientos fetales normales en ese mismo grupo indica que deben existir mecanismos compensatorios en el feto AME que enmascaran las posibles consecuencias funcionales de los defectos sinápticos hallados. Estos mecanismos compensatorios desaparecerían más tarde dando lugar a las graves manifestaciones de la enfermedad en las etapas perinatal y neonatal. CONCLUSIONES: Los resultados obtenidos contribuyen al mejor conocimiento de esta enfermedad en etapas presintomáticas, y abre nuevas perspectivas para investigar estrategias terapéuticas a fin de revertir los procesos de denervación, mantener la actividad de las uniones neuromusculares y mejorar la maduración de las placas motoras.