Ανάπτυξη υπολογιστικού μοντέλου για τη μελέτη ηλεκτροφυσιολογίας του φαινομένου της Kinesia Paradoxa
Authors: Μπάνου Ειρήνη 
Published: January 2024

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