Late-onset spinal motor neuronopathy- a new neuromuscular disease

The aim of this study was to clarify the clinical phenotype of late-onset spinal motor neuronopathy (LOSMoN), an adult-onset autosomal dominant lower motor neuron disorder identified first in two families in Eastern Finland, in order to clarify its genetic background. Motor neuron disorders (MNDs) are characterized by dysfunction and premature death of motor neurons in the brain and spinal cord. MNDs can manifest at any age of the human lifespan, ranging from pre- or neonatal forms such as spinal muscular atrophy type I (SMA I) to those preferentially affecting the older age groups exemplified by sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS). With a combination of genetic linkage analysis and genome sequencing using DNA from a total of 55 affected members of 17 families and a whole genome scan, we were able to show that LOSMoN is caused by the c.197G>T p.G66V mutation in the gene CHCHD10. This study showed that LOSMoN has very characteristic features that help to differentiate it from other more malignant forms of motor neuron disease, such as ALS, which was erroneously diagnosed in many patients in our cohort. Lack of fibrillations in the first dorsal interosseus muscle on EMG and extensive grouping of non-atrophic type IIA/2A fibers on muscle biopsy were shown to be common findings in LOSMoN, but rare or absent in ALS patients. The results of this study will help clinicians recognize the characteristic phenotype of LOSMoN disease and thus improve their diagnostic accuracy, and will also allow physicians to provide adequate genetic counseling for patients.

Motoneuronitautiin liittyvä hengitysvajaus: hengitystoiminnan ja energia-aineenvaihdunnan mittaaminen

Tavoitteet: Tämän tutkimussarjan tavoitteena oli tutkia hengitystoiminnan sekä energia-aineen¬vaihdunnan muutoksia motoneuronitautia (amyotrofinen lateraaliskleroosi, ALS) sairastavilla potilailla. Erityisenä mielenkiinnon kohteena olivat kotihoitoon soveltuvan hengityslaitteen vai¬kutus elinajan ennusteeseen sekä hengitysvajauksen etenemistä kuvaavien keuhkotoimintakokei¬den arviointi ALS-potilailla, epäsuoran kalorimetrian mittaustarkkuus ja perusaineenvaihdunnan (PAV) suuruus kajoavaa hengityslaitetta käyttävillä ALS-potilailla. Aineisto ja menetelmät: Kajoamattoman hengityslaitteen käytön ja iän vaikutusta elinajan en¬nusteeseen arvioitiin 84:llä ja hengitystoiminnan muutoksia 42 ALS-potilaalla. Epäsuoran kalo¬rimetrian mittaustarkkuutta kajoamatonta hengityslaitetta käytettäessä arvioitiin hereillä olevilla 12 vapaaehtoisella mieshenkilöllä. PAV:n suuruutta arvioitiin viidellä kajoavaa hengityslaitetta käyttävällä ALS-potilaalla. Osatöistä kaksi ensimmäistä olivat luonteeltaan havainnoivia (retros¬pektiivisiä) ja kaksi viimeistä seurantatutkimuksia (prospektiivisia). Tulokset: Alle 65-vuotiailla ALS-potilailla ei havaittu eroa elinajan ennusteessa kajoamaton¬ta hengityslaitetta käyttävien ja käyttämättömien potilaiden välillä. Sen sijaan yli 65-vuotiail¬la ALS-potilailla elinajan ennuste piteni merkittävästi kajoamatonta hengityslaitetta käyttävillä potilailla (elinaika diagnoosin jälkeen 22 vs. 8 kk, Hazard Ratio = 0.25, 95 % luottamusväli 0.11 – 0.55, p <0.001). ALS-potilailla, joilla kajoamaton hengityslaite katsottiin tarpeelliseksi kuuden kuukauden kuluessa diagnoosihetkestä, hengitystiheys osoittautui diagnoosihetkellä mer-kittävästi kiihtyneeksi (21/min) ja rintakehän liike merkittävästi alentuneeksi (2.9 cm) verrattuna ALS-potilaisiin, joille kajoamaton hengityslaite katsottiin tarpeelliseksi myöhemmin (16/min ja 4.0 cm). Kajoamattoman hengityslaitehoidon aikana keskimääräinen mitattu PAV vapaaehtoisilla miehillä oli 1858 kcal/vrk kun PAV ilman hengityslaitetta oli 1852 kcal/vrk, p = 0.8. Kajoavaa hengityslaitehoitoa käyttävien viiden ALS-potilaan keskimääräinen PAV vastaavalla mittausase¬telmalla mitattaessa oli 1130 kcal/vrk, kun vastaava PAV laskettuna viidellä eri laskentakaavalla oli 1700 kcal/vrk, p < 0.001. Johtopäätökset: Yli 65-vuotiailla ALS-potilailla, jotka eivät sopeutuneet kajoamattomaan hen¬gityslaitehoitoon, oli nelinkertainen riski menehtyä aiemmin kuin kajoamattomaan hengityslai¬tehoitoon sopeutuneilla ALS-potilailla. Hengitystiheys osoittautui merkittävästi kiihtyneeksi ja rintakehän liike alentuneeksi ALS-potilailla, joille kajoamaton hengityslaitehoito katsottiin ai¬heelliseksi kuuden kuukauden kuluessa diagnoosihetkestä. Kajoamattoman hengityslaitehoidon aikana mitattu PAV ei poikennut mitatusta PAV:sta itsenäisen hengityksen aikana. Näin ollen epäsuoraa kalorimetriamenetelmää voidaan käyttää luotettavasti PAV:n määrittämiseen käytet¬täessä samanaikaisesti kotihoitoon soveltuvaa hengityslaitehoitoa. Elämää ylläpitävää kajoavaa hengityslaitehoitoa käyttävien ALS-potilaiden PAV oli merkittävästi hidastunut laskennallisella menetelmällä arvioituun PAV verrattuna.

Performance Characteristics of an Axial-Flux Solid-Rotor-Core Induction Motor

The integration of electric motors and industrial appliances such as pumps, fans, and compressors is rapidly increasing. For instance, the integration of an electric motor and a centrifugal pump provides cost savings and improved performance characteristics. Material cost savings are achieved when an electric motor is integrated into the shaft of a centrifugal pump, and the motor utilizes the bearings of the pump. This arrangement leads to a smaller configuration that occupies less floor space. The performance characteristics of a pump drive can be improved by using the variable-speed technology. This enables the full speed control of the drive and the absence of a mechanical gearbox and couplers. When using rotational speeds higher than those that can be directly achieved by the network frequency the structure of the rotor has to be mechanically durable. In this thesis the performance characteristics of an axial-flux solid-rotor-core induction motor are determined. The motor studied is a one-rotor-one-stator axial-flux induction motor, and thus, there is only one air-gap between the rotor and the stator. The motor was designed for higher rotational speeds, and therefore a good mechanical strength of the solid-rotor-core rotor is required to withstand the mechanical stresses. The construction of the rotor and the high rotational speeds together produce a feature, which is not typical of traditional induction motors: the dominating loss component of the motor is the rotor eddy current loss. In the case of a typical industrial induction motor instead the dominating loss component is the stator copper loss. In this thesis, several methods to decrease the rotor eddy current losses in the case of axial-flux induction motors are presented. A prototype motor with 45 kW output power at 6000 min-1 was designed and constructed for ascertaining the results obtained from the numerical FEM calculations. In general, this thesis concentrates on the methods for improving the electromagnetic properties of an axial-flux solid-rotor-core induction motor and examines the methods for decreasing the harmonic eddy currents of the rotor. The target is to improve the efficiency of the motor and to reach the efficiency standard of the present-day industrial induction motors equipped with laminated rotors.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Analysis and Control of Excitation, Field Weakening and Stability in Direct Torque Controlled Electrically Excited Synchronous Motor Drives

Direct torque control (DTC) is a new control method for rotating field electrical machines. DTC controls directly the motor stator flux linkage with the stator voltage, and no stator current controllers are used. With the DTC method very good torque dynamics can be achieved. Until now, DTC has been applied to asynchronous motor drives. The purpose of this work is to analyse the applicability of DTC to electrically excited synchronous motor drives. Compared with asynchronous motor drives, electrically excited synchronous motor drives require an additional control for the rotor field current. The field current control is called excitation control in this study. The dependence of the static and dynamic performance of DTC synchronous motor drives on the excitation control has been analysed and a straightforward excitation control method has been developed and tested. In the field weakening range the stator flux linkage modulus must be reduced in order to keep the electro motive force of the synchronous motor smaller than the stator voltage and in order to maintain a sufficient voltage reserve. The dynamic performance of the DTC synchronous motor drive depends on the stator flux linkage modulus. Another important factor for the dynamic performance in the field weakening range is the excitation control. The field weakening analysis considers both dependencies. A modified excitation control method, which maximises the dynamic performance in the field weakening range, has been developed. In synchronous motor drives the load angle must be kept in a stabile working area in order to avoid loss of synchronism. The traditional vector control methods allow to adjust the load angle of the synchronous motor directly by the stator current control. In the DTC synchronous motor drive the load angle is not a directly controllable variable, but it is formed freely according to the motor’s electromagnetic state and load. The load angle can be limited indirectly by limiting the torque reference. This method is however parameter sensitive and requires a safety margin between the theoretical torque maximum and the actual torque limit. The DTC modulation principle allows however a direct load angle adjustment without any current control. In this work a direct load angle control method has been developed. The method keeps the drive stabile and allows the maximal utilisation of the drive without a safety margin in the torque limitation.

JNK regulates dendrite and spine architecture in the central nervous system influencing spatial learning and motor tasks

JNK1 is a MAP-kinase that has proven a significant player in the central nervous system. It regulates brain development and the maintenance of dendrites and axons. Several novel phosphorylation targets of JNK1 were identified in a screen performed in the Coffey lab. These proteins were mainly involved in the regulation of neuronal cytoskeleton, influencing the dynamics and stability of microtubules and actin. These structural proteins form the dynamic backbone for the elaborate architecture of the dendritic tree of a neuron. The initiation and branching of the dendrites requires a dynamic interplay between the cytoskeletal building blocks. Both microtubules and actin are decorated by associated proteins which regulate their dynamics. The dendrite-specific, high molecular weight microtubule associated protein 2 (MAP2) is an abundant protein in the brain, the binding of which stabilizes microtubules and influences their bundling. Its expression in non-neuronal cells induces the formation of neurite-like processes from the cell body, and its function is highly regulated by phosphorylation. JNK1 was shown to phosphorylate the proline-rich domain of MAP2 in vivo in a previous study performed in the group. Here we verify three threonine residues (T1619, T1622 and T1625) as JNK1 targets, the phosphorylation of which increases the binding of MAP2 to microtubules. This binding stabilizes the microtubules and increases process formation in non-neuronal cells. Phosphorylation-site mutants were engineered in the lab. The non-phosphorylatable mutant of MAP2 (MAP2- T1619A, T1622A, T1625A) in these residues fails to bind microtubules, while the pseudo-phosphorylated form, MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D, efficiently binds and induces process formation even without the presence of active JNK1. Ectopic expression of the MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D in vivo in mouse brain led to a striking increase in the branching of cortical layer 2/3 (L2/3) pyramidal neurons, compared to MAP2-WT. The dendritic complexity defines the receptive field of a neuron and dictates the output to the postsynaptic cells. Previous studies in the group indicated altered dendrite architecture of the pyramidal neurons in the Jnk1-/- mouse motor cortex. Here, we used Lucifer Yellow loading and Sholl analysis of neurons in order to study the dendritic branching in more detail. We report a striking, opposing effect in the absence of Jnk1 in the cortical layers 2/3 and 5 of the primary motor cortex. The basal dendrites of pyramidal neurons close to the pial surface at L2/3 show a reduced complexity. In contrast, the L5 neurons, which receive massive input from the L2/3 neurons, show greatly increased branching. Another novel substrate identified for JNK1 was MARCKSL1, a protein that regulates actin dynamics. It is highly expressed in neurons, but also in various cancer tissues. Three phosphorylation target residues for JNK1 were identified, and it was demonstrated that their phosphorylation reduces actin turnover and retards migration of these cells. Actin is the main cytoskeletal component in dendritic spines, the site of most excitatory synapses in pyramidal neurons. The density and gross morphology of the Lucifer Yellow filled dendrites were characterized and we show reduced density and altered morphology of spines in the motor cortex and in the hippocampal area CA3. The dynamic dendritic spines are widely considered to function as the cellular correlate during learning. We used a Morris water maze to test spatial memory. Here, the wild-type mice outperformed the knock-out mice during the acquisition phase of the experiment indicating impaired special memory. The L5 pyramidal neurons of the motor cortex project to the spinal cord and regulate the movement of distinct muscle groups. Thus the altered dendrite morphology in the motor cortex was expected to have an effect on the input-output balance in the signaling from the cortex to the lower motor circuits. A battery of behavioral tests were conducted for the wild-type and Jnk1-/- mice, and the knock-outs performed poorly compared to wild-type mice in tests assessing balance and fine motor movements. This study expands our knowledge of JNK1 as an important regulator of the dendritic fields of neurons and their manifestations in behavior.

Keskoslasten motorinen kehitys : Alberta Infant Motor Scale (AIMS) -testistöllä arvioituna

Opinnäytetyön tarkoituksena oli kuvata alle 1 500 gramman painoisena syntyneiden keskoslasten motorista kehitystä kolmen, kuuden ja kahdentoista kuukauden korjatussa iässä, sekä tuoda esille mahdollisia motorisen kehityksen yhteisiä piirteitä Alberta Infant Motor Scale (AIMS) -testistöllä arvioituna. Työ toteutettiin yhteistyössä Lasten ja nuorten sairauksien toimialan fysioterapian yksikön kanssa, jossa keskoslasten motorisen kehityksen arviointi AIMS-testistöllä oli toteutettu vuosina 2005 - 2006. Idea opinnäytetyöhön syntyi yhteisten keskusteluiden pohjalta fysioterapeuttien kanssa. Opinnäytetyön tavoitteena oli analysoida ja koota yhteenveto Lasten ja nuorten sairauksien toimialalle heidän tutkimastaan aineistosta. Työ oli luonteeltaan kuvaileva kvantitatiivinen tutkimus valmiiksi saadun aineiston pohjalta. Aineisto koostui yhteensä 109 keskoslapsen AIMS-testistön arviointilomakkeista. Keskoslapsista 54 oli kolmen kuukauden, 42 kuuden kuukauden ja 13 kahdentoista kuukauden korjatussa iässä. Tulokset analysoitiin käyttämällä SPSS 13.0 Windows Release-tilasto-ohjelmaa ja tulokset esitettiin taulukoiden ja kuvioiden avulla. Tiedonkeruumenetelminä käytimme kirjallisuuden lisäksi uusimpia tutkimusartikkeleita sekä asiantuntijahaastattelua. Kolmen kuukauden ikäisistä keskoslapsista 51 sijoittui AIMS-testistön motorista kehitystä kuvaaville käyrille. Kolme lasta jäi käyrien alapuolelle. Kuuden kuukauden ikäisten keskoslasten kokonaispistemäärissä oli enemmän hajontaa. 15 lasta jäi AIMS-testistön motorista kehitystä kuvaavien käyrien alapuolelle. Kahdentoista kuukauden ikäisistä lapsista yhdeksän sijoittui motorista kehitystä kuvaaville käyrille ja neljä lasta jäi käyrien alapuolelle. Yhteisenä piirteenä kaikilta kolmen kuukauden ikäisiltä ja 14 kuuden kuukauden ikäiseltä lapselta puuttui taito tukeutua yläraajoihin istuma-asennossa (Sitting With Propped Arms). Tutkimustulosten perusteella kolmen kuukauden ikäisten keskoslasten motorinen kehitys oli valtaosalla (51/54) ikätasoista. Kuuden ja kahdentoista kuukauden ikäisten keskoslasten motorisessa kehityksessä yksilölliset erot olivat suurempia. Tutkimusjoukkomme keskoslapsista motorinen kehitys oli ikätasoa heikompaa 22 keskoslapsella. Lasten ja nuorten sairauksien toimiala saa käyttöönsä työmme tulokset, joita voidaan hyödyntää keskoslasten motorisen kehityksen seurannassa sekä fysioterapian kehittämisessä. Työmme lisää AIMS-testistön tunnettavuutta ja siitä on myös laajemmin hyötyä lasten parissa työskenteleville fysioterapeuteille.