TY  - THES
A1  - Brandt, Gregor A.
T1  - Gait Initiation in Parkinson's Disease: The Interplay of Dopamine and Postural Control
T1  - Der erste Schritt bei M. Parkinson: Der Zusammenhang zwischen Dopamin und posturaler Kontrolle
N2  - Deterioration of gait and alterations of physiological gait initiation contribute significantly to the burden of disease in Parkinson's disease. This paper systematically investigates disease-specific alterations during the postural phases of gait initiation and demonstrates the influence of dopaminergic networks by assessing levodopa mediated improvements in motor performance and correlation of motor behavior with loss of striatal and cortical dopaminergic neurons. Particular attention is given to known confounders such as initial stance and anthropometrics.
N2  - Störungen des Gangbildes und Veränderungen der physiologischen Bewegungsabläufe während des ersten Schrittes tragen einen signifikanten Teil zur Krankheitslast der Parkinsonerkrankung bei. Diese Veröffentlichung untersucht systematisch die krankheitsspezifischen Veränderungen der posturalen Phase des ersten Schrittes und demonstriert den Einfluss dopaminerger Netzwerke durch Untersuchungen Levodopa-induzierter Verbesserungen des Bewegungsablaufs und Korrelationen des Bewegungsverhaltens mit dem Verlust striataler und kortikaler dopaminerger Neuronen. Besondere Sorgfalt wurde bekannten modifizierenden Faktoren wie initaler Standbreite und anthropometrischen Größen zu Teil.
KW  - Parkinson-Krankheit
KW  - Parkinson's Disease
KW  - Gait initiation
KW  - Motor Control
KW  - Dopamine
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214636
ER  - 
TY  - THES
A1  - Palmisano, Chiara
T1  - Supraspinal Locomotor Network Derangements: A Multimodal Approach
T1  - Störungen des Supraspinalen Lokomotorischen Netzwerks: ein Multimodaler Ansatz
N2  - Parkinson’s Disease (PD) constitutes a major healthcare burden in Europe. Accounting for aging alone, ~700,000 PD cases are predicted by 2040. This represents an approximately 56% increase in the PD population between 2005 and 2040, with a consequent rise in annual disease‐related medical costs. Gait and balance disorders are a major problem for patients with PD and their caregivers, mainly because to their correlation with falls. Falls occur as a result of a complex interaction of risk factors. Among them, Freezing of Gait (FoG) is a peculiar gait derangement characterized by a sudden and episodic inability to produce effective stepping, causing falls, mobility restrictions, poor quality of life, and increased morbidity and mortality. Between 50–70% of PD patients have FoG and/or falls after a disease duration of 10 years, only partially and inconsistently improved by dopaminergic treatment and Deep Brain Stimulation (DBS). Treatment-induced worsening has been also observed under certain conditions. Effective treatments for gait disturbances in PD are lacking, probably because of the still poor understanding of the supraspinal locomotor network.
In my thesis, I wanted to expand our knowledge of the supraspinal locomotor network and in particular the contribution of the basal ganglia to the control of locomotion. I believe this is a key step towards new preventive and personalized therapies for postural and gait problems in patients with PD and related disorders. In addition to patients with PD, my studies also included people affected by Progressive Supranuclear Palsy (PSP). PSP is a rare primary progressive parkinsonism characterized at a very early disease stage by poor balance control and frequent backwards falls, thus providing an in vivo model of dysfunctional locomotor control. 
I focused my attention on one of the most common motor transitions in daily living, the initiation of gait (GI). GI is an interesting motor task and a relevant paradigm to address balance and gait impairments in patients with movement disorders, as it is associated with FoG and high risk of falls. It combines a preparatory (i.e., the Anticipatory Postural Adjustments [APA]) and execution phase (the stepping) and allows the study of movement scaling and timing as an expression of muscular synergies, which follow precise and online feedback information processing and integration into established feedforward patterns of motor control.
By applying a multimodal approach that combines biomechanical assessments and neuroimaging investigations, my work unveiled the fundamental contribution of striatal dopamine to GI in patients with PD. Results in patients with PSP further supported the fundamental role of the striatum in GI execution, revealing correlations between the metabolic intake of the left caudate nucleus with diverse GI measurements. This study also unveiled the interplay of additional brain areas in the motor control of GI, namely the Thalamus, the Supplementary Motor Area (SMA), and the Cingulate cortex. Involvement of cortical areas was also suggested by the analysis of GI in patients with PD and FoG. Indeed, I found major alterations in the preparatory phase of GI in these patients, possibly resulting from FoG-related deficits of the SMA. Alterations of the weight shifting preceding the stepping phase were also particularly important in PD patients with FoG, thus suggesting specific difficulties in the integration of somatosensory information at a cortical level. Of note, all patients with PD showed preserved movement timing of GI, possibly suggesting preserved and compensatory activity of the cerebellum. Postural abnormalities (i.e., increased trunk and thigh flexion) showed no relationship with GI, ruling out an adaptation of the motor pattern to the altered postural condition. In a group of PD patients implanted with DBS, I further explored the pathophysiological functioning of the locomotor network by analysing the timely activity of the Subthalamic Nucleus (STN) during static and dynamic balance control (i.e., standing and walking). For this study, I used novel DBS devices capable of delivering stimulation and simultaneously recording Local Field Potentials (LFP) of the implanted nucleus months and years after surgery. I showed a gait-related frequency shift in the STN activity of PD patients, possibly conveying cortical (feedforward) and cerebellar (feedback) information to mesencephalic locomotor areas. Based on this result, I identified for each patient a Maximally Informative Frequency (MIF) whose power changes can reliably classify standing and walking conditions. The MIF is a promising input signal for new DBS devices that can monitor LFP power modulations to timely adjust the stimulation delivery based on the ongoing motor task (e.g., gait) performed by the patient (adaptive DBS).
Altogether my achievements allowed to define the role of different cortical and subcortical brain areas in locomotor control, paving the way for a better understanding of the pathophysiological dynamics of the supraspinal locomotor network and the development of tailored therapies for gait disturbances and falls prevention in PD and related disorders.
N2  - Die Parkinson-Krankheit (PD) stellt in Europa eine große Belastung für das Gesundheitswesen dar. Allein unter Berücksichtigung der Alterung werden bis zum Jahr 2040 etwa 700 000 Fälle von Parkinson prognostiziert. Dies entspricht einer Zunahme der Parkinson-Population um etwa 56 % zwischen 2005 und 2040, was zu einem Anstieg der jährlichen krankheitsbedingten medizinischen Kosten führt. Gang- und Gleichgewichtsstörungen sind ein großes Problem für Morbus-Parkinson-Patienten und ihre Betreuer, vor allem, weil sie mit Stürzen zusammenhängen. Stürze sind das Ergebnis einer komplexen Interaktion von Risikofaktoren. Zu diesen Faktoren gehört das Freezing of Gait (FoG), eine besondere Gangstörung, die durch eine plötzliche und episodische Unfähigkeit gekennzeichnet ist, einen effektiven Schritt zu machen, was zu Stürzen, Mobilitätseinschränkungen, schlechter Lebensqualität und erhöhter Morbidität und Mortalität führt. Zwischen 50 und 70 % der Morbus-Parkinson-Patienten haben nach einer Krankheitsdauer von 10 Jahren FoG und/oder Stürze, die sich durch dopaminerge Behandlung und Tiefe Hirnstimulation (DBS) nur teilweise und uneinheitlich verbessern. Unter bestimmten Bedingungen wurde auch eine behandlungsbedingte Verschlechterung beobachtet. Es gibt keine wirksamen Behandlungen für Gangstörungen bei Morbus Parkinson, was wahrscheinlich auf das noch immer unzureichende Verständnis des supraspinalen lokomotorischen Netzwerks zurückzuführen ist.
In meiner Dissertation wollte ich unser Wissen über das supraspinale Bewegungsnetzwerk und insbesondere den Beitrag der Basalganglien zur Steuerung der Fortbewegung erweitern. Ich glaube, dass dies ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu neuen präventiven und personalisierten Therapien für Haltungs- und Gangprobleme bei Patienten mit Parkinson und verwandten Erkrankungen ist. Neben Morbus-Parkinson-Patienten wurden in meine Studien auch Menschen mit progressiver supranukleärer Lähmung (PSP) einbezogen. PSP ist ein seltener primär progressiver Parkinsonismus, der in einem sehr frühen Krankheitsstadium durch eine schlechte Gleichgewichtskontrolle und häufige Rückwärtsstürze gekennzeichnet ist und somit ein In-vivo-Modell für eine gestörte Bewegungskontrolle darstellt. 
Ich habe mich auf einen der häufigsten motorischen Übergänge im täglichen Leben konzentriert, die Initiierung des Gangs (GI). GI ist eine interessante motorische Aufgabe und ein relevantes Paradigma zur Untersuchung von Gleichgewichts- und Gangstörungen bei Patienten mit Bewegungsstörungen, da sie mit FoG und einem hohen Sturzrisiko verbunden ist. Sie kombiniert eine Vorbereitungsphase (d. h. die antizipatorischen posturalen Anpassungen [APA]) und eine Ausführungsphase (den Schritt) und ermöglicht die Untersuchung der Bewegungsskalierung und des Timings als Ausdruck muskulärer Synergien, die einer präzisen und online erfolgenden Verarbeitung von Feedback-Informationen und der Integration in etablierte Feedforward-Muster der motorischen Kontrolle folgen.
Durch Anwendung eines multimodalen Ansatzes, der biomechanische Bewertungen und bildgebende Untersuchungen kombiniert, hat meine Arbeit den grundlegenden Einfluss des striatalen Dopamins auf GI bei Patienten mit Parkinson enthüllt. Die Ergebnisse bei Patienten mit PSP untermauerten die grundlegende Rolle des Striatums bei der Ausführung von GI, indem sie Korrelationen zwischen der metabolischen Aufnahme des linken Nucleus caudatus und verschiedenen GI-Parametern aufzeigten. Diese Studie enthüllte auch das Zusammenspiel weiterer Hirnareale bei der motorischen Kontrolle von GI, nämlich des Thalamus, der Supplementary Motor Area (SMA) und des Cingulum-Kortex. Die Beteiligung kortikaler Areale wurde auch durch die Analyse der GI bei Patienten mit Parkinson und FoG nahegelegt. In der Tat fand ich bei diesen Patienten erhebliche Veränderungen in der Vorbereitungsphase des GI, die möglicherweise auf FoG-bedingte Defizite der SMA zurückzuführen sind. Veränderungen der Gewichtsverlagerung, die der Schrittphase vorausgeht, waren bei Morbus-Parkinson-Patienten mit FoG ebenfalls besonders ausgeprägt, was auf spezifische Schwierigkeiten bei der Integration somatosensorischer Informationen auf kortikaler Ebene schließen lässt. Bemerkenswert ist, dass alle Morbus-Parkinson-Patienten ein gut erhaltenes Bewegungs-Timing von GI aufwiesen, was möglicherweise auf eine ebenfalls gut erhaltene und kompensatorische Aktivität des Kleinhirns hindeutet. Haltungsanomalien (d. h. verstärkte Rumpf- und Oberschenkelflexion) standen in keinem Zusammenhang mit GI, was eine Anpassung des motorischen Musters an die veränderten Haltungsbedingungen ausschließt. Bei einer Gruppe von Morbus-Parkinson-Patienten, denen eine DBS implantiert wurde, untersuchte ich die pathophysiologische Funktionsweise des lokomotorischen Netzwerks weiter, indem ich die rechtzeitige Aktivität des subthalamischen Nucleus (STN) während der statischen und dynamischen Gleichgewichtskontrolle (d. h. Stehen und Gehen) analysierte. Für diese Studie habe ich neuartige DBS-Geräte verwendet, die in der Lage sind, Stimulationen abzugeben und gleichzeitig lokale Feldpotentiale (LFP) des implantierten Nucleus Monate und Jahre nach der Operation aufzuzeichnen. Ich konnte eine gehbezogene Frequenzverschiebung in der STN-Aktivität von Morbus-Parkinson-Patienten nachweisen, die möglicherweise kortikale (feedforward) und zerebelläre (feedback) Informationen an mesenzephale Bewegungsbereiche weiterleitet. Auf der Grundlage dieses Ergebnisses habe ich für jeden Patienten eine maximal informative Frequenz (MIF) identifiziert, deren Leistungsänderungen eine zuverlässige Klassifizierung von Steh- und Gehzuständen ermöglichen. Die MIF ist ein vielversprechendes Eingangssignal für neue DBS-Geräte, die LFP-Leistungsmodulationen überwachen können, um die Stimulationsabgabe zeitnah an die laufende motorische Aufgabe (z. B. Gehen) des Patienten anzupassen (adaptive DBS).
Insgesamt ist es mir gelungen, die Rolle verschiedener kortikaler und subkortikaler Hirnareale bei der Bewegungskontrolle zu definieren. Dies ebnet den Weg für ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Dynamik des supraspinalen Bewegungsnetzwerks und die Entwicklung maßgeschneiderter Therapien für Gangstörungen und Sturzprävention bei Morbus Parkinson und verwandten Erkrankungen.
KW  - locomotor network
KW  - gait initiation
KW  - deep brain stimulation
KW  - gait analysis
KW  - movement disorders
KW  - neural biomarkers
KW  - parkinson's disease
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266442
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  -