Εφαρμογές της Μηχανικής στις Νευροεπιστήμες: Χρονοεξαρτώμενα πρότυπα ελαστικής παραμόρφωσης και μεταβολές της ελίκωσης του εγκεφάλου. Πιλοτική θεραπευτική εφαρμογή των πορισμάτων
Creators: name: Θωμαΐδης, Γεώργιος Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Ελαστικότητα
Ελίκωση
Οίδημα
Elasticity
Gyrification
Oedema

description: Επιδίωξη της εργασίας, είναι να μελετηθούν οι πρόσφατα αναπτυσσόμενες θεωρίες, περί των βιολογικών και μηχανικών διαδικασιών ελίκωσης του φλοιού του ανθρώπινου εγκεφάλου, με στόχο την περιγραφή i. της σημασίας των μηχανικών δυνάμεων στη διάρκεια της αρχικής περιόδου της ελίκωσης, στη διατήρηση και στην εξέλιξή της μετά τις αρχικές φάσεις της ανάπτυξης, ii. του ρόλου των μηχανικών ασταθειών στη δημιουργία της βέλτιστης γεωμετρίας του εγκεφαλικού φλοιού, iii. των περιορισμών των υπαρχουσών θεωριών ως προς το μηχανικό και βιολογικό τους μέρος και τη δυνατότητα επέκτασής τους και iv. της εφαρμογής ενός μηχανικά προσανατολισμένου μοντέλου, για τη βελτιστοποίηση του χρονισμού και της αποτελεσματικότητας της φαρμακευτικής θεραπείας της ψυχωτικής συμπτωματολογίας, κατά τη θεραπεία του εγκεφαλικού οιδήματος. Για το σκοπό αυτό, ακολουθήθηκαν τα εξής βήματα: α. περιγράφονται, αρχικά, βασικές αρχές της νευροανατομίας, ιστολογίας, θεωρίας δικτύων, θεωρίας πληροφορίας, θεωρίας ελαστικότητας και χρονο- ελαστικότητας, γενετικής και εμβρυολογίας της ανάπτυξης. β. στη συνέχεια, παρουσιάζεται το εννοιολογικό πλαίσιο της μελέτης της αργής ελίκωσης του εμβρυϊκού εγκεφαλικού φλοιού, μέσα από τη συνοπτική παρουσίαση των κυριότερων αρχικών θεωριών ελίκωσης και την αναλυτική παρουσίαση των δυο κυριότερων σύγχρονων θεωριών. Το τελευταίο μέρος της εργασίας, περιλαμβάνει γ. την εισαγωγική περιγραφή της φαινομενολογίας και των βασικών μηχανισμών της ψύχωσης, με βαρύτητα στην γνωστότερη και θεωρούμενη ως πληρέστερα καθορισμένη ψυχωσική διαταραχή, τη σχιζοφρένεια και δ. στο τελικό μέρος, παρουσιάζονται δ-i. το πρώτο πόρισμα της εργασίας, δ-ii. μια επιτυχημένη θεραπευτική πιλοτική εφαρμογή του και δ-iii. ορισμένες από τις προϋποθέσεις για ένα ολοκληρωμένο μοντέλο ταχείας ελαστικής παραμόρφωσης, βασισμένο στη θεωρία ποροελαστικότητας του Η. Αϋφαντή, για την περιγραφή της πορείας (και αντιστρόφως της αποδρομής) του εγκεφαλικού οιδήματος. Τα δ-ii και δ-iii. αποτελούν το δεύτερο πόρισμα της εργασίας. Αναλυτικότερα, το πρώτο πόρισμα αποτελεί η αναγνώριση του ανεξάρτητου ρόλου των μηχανικών δυνάμεων για τη συντήρηση ενός ανατροφοδοτούμενου μηχανισμού αύξησης της πυκνότητας των νευρωνικών συνδέσεων και δημιουργίας νέων δυνατοτήτων (πιθανοτήτων) ελίκωσης. Το δεύτερο πόρισμα αποτελούν η αναγνώριση της ανάγκης για τη δημιουργία ενός συνολικού, σταδιακού και υλικά πλήρους, μοντέλου οιδήματος και της διαδικασίας αποίδησης του και η θεραπευτική εφαρμογή. Κατά τη θεραπεία εφαρμόστηκαν i. τα αποτελέσματα της έρευνας επάνω στη θετική σχέση των διαταραχών της ελίκωσης, με την αύξηση της πιθανότητας για μετάπτωση στο πρώτο επεισόδιο ψύχωσης καθώς και ii. το πρώτο και δεύτερο πόρισμα, ώστε να αντιστραφεί η διαδικασία παθολογικής αυλάκωσης και διόγκωσης των ελίκων στο οίδημα μετά εγκεφαλικό τραύμα και να ελαττωθούν οι επιπτώσεις τους στη δραστηριότητα των εγκεφαλικών δικτύων λόγω διαταραχής της γεωμετρίας και τοπολογίας των συνδέσεων του φλοιού. Αυτό επιτυγχάνεται με συνδυασμένη αποιδηματική αγωγή, μαννιτόλης και ακεταζολαμίδης, για την ταχύτερη αποκατάσταση της φλοιϊκής γεωμετρίας, με στόχο τη βελτίωση της ροής πληροφορίας στη μικρό και μακρο- δομή των εγκεφαλικών κυκλωμάτων και την βελτιστοποίηση της αποτελεσματικότητας μιας αντιψυχωσικής αγωγής με ρισπεριδόνη σε επίπεδο δικτύων. Τα αποτελέσματα έγιναν δεκτά για παρουσίαση και δημοσίευση στο 27ο Ευρωπαϊκό Συνέδριο Ψυχιατρικής, στο 7o Ευρωπαϊκό Συνέδριο Έρευνας για τη Σχιζοφρένεια, στο 32o Ευρωπαϊκό Συνέδριο Νευροψυχοφαρμακολογίας και στο 19o Παγκόσμιο Συνέδριο Ψυχιατρικής.
description: Aim of this thesis is to study the newly developed theories on the system of biological and mechanical processes, which describes the formation of human cortical convolutions. Objective is the description of i. the importance of mechanical forces during the initial period of gyrification and for its stabilization and development, after the initial stages of formation; ii. the role of mechanical instabilities during the formation of the optimal geometry of the cerebral cortex, iii. the constraints of existing theories -about their mechanical and biological parts- and the possibility of their improvement; and iv. the application of a mechanically oriented model, in an attempt to optimize the timing and effectiveness of antipsychotic drug therapy, on the psychotic symptomatology, during treatment of cerebral edema. For this purpose, the basic principles of neuroanatomy, histology, network theory, information theory, elasticity and time dependent elasticity theory, genetics and embryology of development are described. Next, the conceptual framework of the study of the slow formation of fetal cortical convulsions is presented, through the brief presentation of the main initial theories and the analytical presentation of the two main stes of modern theories. The last part of the work includes the introductory description of the phenomenology and the basic mechanisms of psychosis, using as an example the most well-known and better defined psychotic disorder, schizophrenia. In the final part, we present the i. first conclusion of the thesis, ii. a successful therapeutic pilot application and iii. some of the prerequisites for a complete model of rapid elastic deformation, based on E. Aifantis' poroelasticity theory, to describe the course of the brain edema, which is the second finding of this essay. The first conclusion of this work, is the recognition of the independent role of mechanical forces for the maintenance of a feedback mechanism to increase the density of neural connections and increase new gyrification probabilities. The second finding is the recognition of the need to create comprehensive models of the rapid deformations during edema and swelling. Finally, the therapeutic application exploits i. the results of the research on the positive relationship of deviations from the normal cortical convolution patterning of individual and connected cortical areas, with the higher risk of transition to the first episode of psychosis, as well as ii. the first and second findings, in order to reverse the psychotic symptoms and the process of swelling, during edema after cerebral trauma. This is accomplished by introducing a combined, well timed osmolytic treatment (mannitol and acetazolamide), for the rapid restoration of cortical geometry and network topology, in order to improve the flow of information at the micro and macro-level of the networks and the effectiveness of antipsychotic therapy on any network level. The conclusions have been accepted for presentation and publication at the 27th European Psychiatric Congress, the 7th European Conference on Schizophrenia Research, the 32nd European College of Neuropsychopharmacology Congress and the 19th World Congress of Psychiatry.