TY - JOUR A1 - Pozzi, Nicoló Gabriele A1 - Bolzoni, Francesco A1 - Biella, Gabriele Eliseo Mario A1 - Pezzoli, Gianni A1 - Ip, Chi Wang A1 - Volkmann, Jens A1 - Cavallari, Paolo A1 - Asan, Esther A1 - Isaias, Ioannis Ugo T1 - Brain noradrenergic innervation supports the development of Parkinson’s tremor: a study in a reserpinized rat model JF - Cells N2 - The pathophysiology of tremor in Parkinson’s disease (PD) is evolving towards a complex alteration to monoaminergic innervation, and increasing evidence suggests a key role of the locus coeruleus noradrenergic system (LC-NA). However, the difficulties in imaging LC-NA in patients challenge its direct investigation. To this end, we studied the development of tremor in a reserpinized rat model of PD, with or without a selective lesioning of LC-NA innervation with the neurotoxin DSP-4. Eight male rats (Sprague Dawley) received DSP-4 (50 mg/kg) two weeks prior to reserpine injection (10 mg/kg) (DR-group), while seven male animals received only reserpine treatment (R-group). Tremor, rigidity, hypokinesia, postural flexion and postural immobility were scored before and after 20, 40, 60, 80, 120 and 180 min of reserpine injection. Tremor was assessed visually and with accelerometers. The injection of DSP-4 induced a severe reduction in LC-NA terminal axons (DR-group: 0.024 ± 0.01 vs. R-group: 0.27 ± 0.04 axons/um\(^2\), p < 0.001) and was associated with significantly less tremor, as compared to the R-group (peak tremor score, DR-group: 0.5 ± 0.8 vs. R-group: 1.6 ± 0.5; p < 0.01). Kinematic measurement confirmed the clinical data (tremor consistency (% of tremor during 180 s recording), DR-group: 37.9 ± 35.8 vs. R-group: 69.3 ± 29.6; p < 0.05). Akinetic–rigid symptoms did not differ between the DR- and R-groups. Our results provide preliminary causal evidence for a critical role of LC-NA innervation in the development of PD tremor and foster the development of targeted therapies for PD patients. KW - Parkinson’s disease KW - tremor KW - locus coeruleus KW - noradrenaline KW - reserpinized rat model Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-357721 SN - 2073-4409 VL - 12 IS - 21 ER - TY - JOUR A1 - Del Vecchio, Jasmin A1 - Hanafi, Ibrahem A1 - Pozzi, Nicoló Gabriele A1 - Capetian, Philipp A1 - Isaias, Ioannis U. A1 - Haufe, Stefan A1 - Palmisano, Chiara T1 - Pallidal recordings in chronically implanted dystonic patients: mitigation of tremor-related artifacts JF - Bioengineering N2 - Low-frequency oscillatory patterns of pallidal local field potentials (LFPs) have been proposed as a physiomarker for dystonia and hold the promise for personalized adaptive deep brain stimulation. Head tremor, a low-frequency involuntary rhythmic movement typical of cervical dystonia, may cause movement artifacts in LFP signals, compromising the reliability of low-frequency oscillations as biomarkers for adaptive neurostimulation. We investigated chronic pallidal LFPs with the Percept\(^{TM}\) PC (Medtronic PLC) device in eight subjects with dystonia (five with head tremors). We applied a multiple regression approach to pallidal LFPs in patients with head tremors using kinematic information measured with an inertial measurement unit (IMU) and an electromyographic signal (EMG). With IMU regression, we found tremor contamination in all subjects, whereas EMG regression identified it in only three out of five. IMU regression was also superior to EMG regression in removing tremor-related artifacts and resulted in a significant power reduction, especially in the theta-alpha band. Pallido-muscular coherence was affected by a head tremor and disappeared after IMU regression. Our results show that the Percept PC can record low-frequency oscillations but also reveal spectral contamination due to movement artifacts. IMU regression can identify such artifact contamination and be a suitable tool for its removal. KW - dystonia KW - tremor KW - local field potentials KW - globus pallidus KW - deep brain stimulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-313498 SN - 2306-5354 VL - 10 IS - 4 ER - TY - THES A1 - Pozzi, Nicoló Gabriele T1 - Parkinson’s disease revisited: multiple circuitopathies T1 - Neuinterpretation des Morbus Parkinson als multiple Netzwerkerkrankung N2 - Parkinson’s disease (PD) is among the most common neurodegenerative conditions, and it is characterized by the progressive loss of dopaminergic neurons and a great variability in clinical expression. Despite several effective medications, it still causes disability as all patients show treatment-resistant symptoms and complications. A possible reason for this therapeutic-burden and great clinical variability lies in a probable misconception about its pathophysiology, one that focuses on neurodegeneration, while largely neglecting its functional consequences and the related compensatory changes. In this thesis, I expand on the hypothesis that some PD symptoms have a dysfunctional origin and reflect derangements of neural network dynamics, the means by which brain coordination supports any motor behaviour. In particular, I have investigated resting tremor and freezing of gait, two common symptoms with an enigmatic mechanism and suboptimal management. In the case of tremor, I predicted a pathological change in response to dopamine loss, which included the activation of noradrenergic (NA) neurons of the locus coeruleus (LC) projecting to the cerebellum. This compensatory LC activation that supports dopaminergic neurons might indeed come at the expense of tremor development. To assess the role of LC-NA in tremor development, I recorded tremor occurrence in the reserpinized rat model of PD, one of very few showing tremor, after selective lesioning (with the neurotoxin DSP-4) of the LC-NA terminal axons. DSP-4 induced a severe reduction of LC-NA terminal axons in the cerebellar cortex and this was associated with a significant reduction in tremor development. Unlike its development, tremor frequency and the akinetic rigid signs did not differ between the groups, thus suggesting a dopaminergic dependency. These findings suggest that the LC-NA innervation of the cerebellum has a critical role for PD tremor, possibly by exerting a network effect, which gates the cerebello-thalamic-cortical circuit into pathological oscillations upon a dopaminergic loss in the basal ganglia. In contrast, for the study of freezing of gait, I worked with human PD subjects and deep brain stimulation, a therapeutic neuromodulation device that in some prototypes also allows the recording of neural activity in freely-moving subjects. Gait freezing is a disabling PD symptom that suddenly impairs effective stepping, thus causing falls and disability. Also in this study, I hypothesized that the underlying pathophysiology may be represented by dysfunctional neural network dynamics that abruptly impair locomotor control by affecting the communication in the supraspinal locomotor network. To test this hypothesis, I investigated the coupling between the cortex and the subthalamic nucleus, two main nodes of the supraspinal locomotor network, in freely-moving subjects PD patients and also performed molecular brain imaging of striatal dopamine receptor density and kinematic measurements. I found that in PD patients, walking is associated with cortical-subthalamic stable coupling in a low-frequency band (i.e. θ-α rhythms). In contrast, these structures decoupled when gait freezing occurred in the brain hemisphere with less dopaminergic innervation. These findings suggest that freezing of gait is a “circuitopathy”, with dysfunctional cortical-subcortical communication. Altogether the results of my experiments support the hypothesis that the pathophysiology of PD goes beyond neurodegenerative (loss-of-function) processes and that derangement of neural network dynamics coincides with some disabling PD symptoms, thus suggesting that PD can be interpreted as the combination of multiple circuitopathies. N2 - Die Parkinson-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung mit einem progressiven Verlust dopaminerger Neurone, die trotz wirksamer Medikamente zur Einschränkung in der Lebensqualität führen kann. Eine mögliche Ursache für diese unzureichende Behandlung der Symptome liegt in einem möglichen Missverständnis über die Pathophysiologie der Krankheit, die sich auf die Neurodegeneration konzentriert. Bei der Parkinson-Krankheit können jedoch funktionelle Veränderungen aufgrund der Neurodegeneration sowie die damit verbundenen kompensatorischen Modifikationen sehr wichtig sein. Der Fokus meiner Dissertation liegt in der Bearbeitung der Hypothese, dass einige Symptome der Parkinson-Krankheit einen dysfunktionellen Ursprung haben können. Insbesodere habe ich den Ruhetremor und das Freezing-Phänomen, das eine Blockade des Gehens bedeutet, untersucht, um zu erklären, ob ein Störung der neuronalen Netzwerkdynamik diese Symptome verursachen kann. In dieser Arbeit wurde zuerst die Entwicklung des Ruhetremors bei der Parkinson-Krankheit untersucht. Meine Hypothese war, dass eine Aktivierung von projizierenden noradrenergen Fasern des Locus-Coeruleus zum Cerebellum das Auftreten des Tremors verursachen kann, welches durch den Verlust dopaminerger Neurone verursacht wird. Da die Aktivität des Locus-Coeruleus bei Patienten mit Parkisnon-Krankheit nicht messbar ist, wurde dies in einem Parkinson-Rattenmodell untersucht. Die Ratten wurden etweder mit Reserpin oder mit Reserpine plus eine Neurotoxin gegen noradrenerger Neuronen (DSP-4) behandelt. Diese Behandlung mit DSP-4 führte zur Degeneration noradrenerger Terminalen im Locus-Coeruleus. Das Auftreten von Tremor zwischen die beiden Gruppen von Ratten war unterschiedlich. Insbesondere entwickelten DSP-4 behandelte Ratten einen niedrigen Ruhetremor. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die noradrenerge Innervation des Cerebellums vom Locus-Ceruleus für das Auftreten des Ruhetremors eine große Rolle spielt. In der Frequenz des Tremors sowie in den akinetischen Symptomen konnte kein Unterschied zwischen den Gruppen festgestellt werden. Das zeigt, dass diese akinetischen Symptome vom Dopaminverlust abhängig sind. Die Kombination von Tremor und akinetischen Symptomen kann aufgrund eines patologischen Netzwerkeffekts entstehen, welche vom Verlust dopaminerger Neurone in den Basalganglien im Zusammenspiel mit der kompensatorischen Aktivierung noradrenerger Neurone des Locus-Coeruleus verursacht werden kann. Des Weiteren wurde der Ursprung des Freezing-Phänomens bei Patienten, die an der Parkinson-Krankheit leiden und eine therapeutische Behandlung mittels Tiefer Hirnstimulation (THS) bekommen haben, untersucht. Insbesodere konnten mittels neuer THS-Prototypen Messungen neuronaler Aktivität von Bewegungen durchgeführt werden. In dieser Studie stellte ich die Hypothese auf, dass die Pathophysiologie des Freezings durch eine fehlerhafte neuronale Dynamik der Bewegungsnetzwerke erklärt werden kann. Um dies zu testen, wurde die Kommunikation zwischen den zwei Hauptknoten des Bewegungsnetzwerkes, dem Kortex und dem Nucleus Subthalamicus, bei THS behandelten Parkinson-Patienten während des Gehens und den Freezing-Episoden untersucht. Zudem wurde bei diesen Patienten eine molekulare Darstellung der dopaminergen Rezeptoren in den Basalganglien durchgeführt. Zusätzlich wurden kinematischen Messungen der Bewegungen vorgenommen, die eine präzise Beschreibung des Freezings ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei Patienten mit der Parkinson-Krankheit ein Zusammenhang von stabiler Kommunikation zwischen dem Kortex und dem Nucleus Subthalamicus bei einer bestimten Frequenz (d.h. θ-α-Rhythmen) beim Gehen besteht. Beim Auftreten des Freezing-Phänomens konnte diese Kommunikation in der Gehirnhemisphäre mit weniger dopaminerger Innervation nicht mehr nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Freezing-Phänomen eine „Circuitopathie“ ist, in der eine fehlerhafte Kommunikation zwischen kortikalen und subkortikalen Arealen zur Bewegungsblockade führen kann. Insgesamt stützen die Ergebnisse meiner Experimente die Hypothese, dass die Pathophysiologie der Parkinson-Krankheit sowohl über neurodegenerative Prozesse (Zellverlust) als auch über Störungen der neuronalen Netzwerkdynamik (Funktionsverlust) hinausgeht. Das deutet darauf hin, dass die Parkison-Krankheit als „Circuitopathie“ interpretiert werden kann. KW - Parkinson-Krankheit KW - freezing of gait KW - resting tremor KW - circuitopathies Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216715 ER -