Molecular characterization of mitochondrial ataxias : with emphasis on MIRAS and IOSCA

Uusi hermoston rappeumasairaus MIRAS: Suomessa kantajia joka 125. väestöstä Tässä väitöskirjatyössä on kuvattu uusi peittyvästi periytyvä hermoston rappeumasairaus, MIRAS (mitochondrial recessive ataxia syndrome), ja sen geenitausta. Tauti osoittautui tutkimuksessamme Suomen yleisimmäksi perinnölliseksi ataksiasairaudeksi. Tutkimuksessa on tutkittu perinnöllisiä aivosairauksia, joissa yhtenä oireena on ataksia (kävelyn epävarmuus, tasapainovaikeus ja liikkeiden haparointi), sekä lukuisia muita aivojen toimintahäiriöstä johtuvia oireita. Seuloessamme suomalaisilta ataksiapotilailta MIRAS-geenivirhettä, 27 potilasta sai diagnoosin aikaisemmin tuntemattomalle, etenevälle ataksiasairaudelleen. Tutkimuksen tuloksena kyseisen geenivirheen DNA-diagnostiikka on otettu käyttöön suomalaisissa ja eurooppalaisissa laboratorioissa, ja toista sataa potilasta ympäri maailman on saanut diagnoosin. Suomen väestössä joka 125. kantaa MIRAS geenivirhettä, mutta taudin saa vain, jos perii geenivirheen molemmilta vanhemmiltaan. MIRAS on taudinkuvaltaan vaihteleva, mutta vaikea etenevä neurologinen sairaus. Useilla potilailla esiintyvät oireet ovat ataksia, puheen puuromaisuus (dysartria), ääreishermorappeuma (neuropatia), pakkoliikkeet, psykiatriset oireet sekä vaikea epilepsia. Erityisen tärkeää MIRAS-taudin tunnistaminen on siihen liittyvän epilepsian hoitopäätöksessä: valproaatti-lääkitys voi aiheuttaa MIRAS-potilaille vaikean maksavaurion. Väitöskirjatyön tuloksena selvisi, että kaikki suomalaiset, norjalaiset, belgialaiset, englantilaiset, australialaiset ja uusi-seelantilaiset MIRAS potilaat olivat kaukaista sukua samalle, tuhansia vuosia sitten eläneelle eurooppalaiselle esivanhemmalle. Ataksiasairauksien tautimekanismeja selvitimme tutkimalla MIRAS-ataksiaa ja sitä muistuttavaa IOSCA sairautta (infantile onset spinocerebellar ataxia), jonka aiheuttaa peittyvästi periytyvä geenivirhe Twinkle-geenissä. Tutkimuksessa löydettiin myös uusi, Twinkle-geenin geenivirheestä johtuva taudinkuva: vaikea-asteinen, varhaisella iällä alkava aivosairaus, jossa on lisäksi viitteitä maksasairaudesta. Löysimme potilaiden aivoista muutoksia mitokondrioiden eli solun voimalaitosten perimän määrässä. Nämä tulokset antavat arvokasta lisätietoa ataksiasairauksien taustalla olevista muutoksista, joiden ymmärtäminen on välttämätön edellytys hoitomahdollisuuksien tutkimiselle tulevaisuudessa.

Brain and Spinal Cavernomas : Helsinki Experience

Cavernomas are rare neurovascular lesions, encountered in up to 10% of patients harboring vascular abnormalities of the CNS. Cavernomas consist of dilated thin-walled sinusoids or caverns covered by a single layer of endothelium. Due to advancements in neuroradiology, the number of cavernoma patients coming to be evaluated in neurosurgical practice is increasing. In the present work, we summarized our results on the treatment of cavernomas. Particular attention was paid to uncommon locations or insufficiently investigated cavernomas, including 1. Intraventricular cavernomas; 2. Multiple cavernomas; 3. Spinal cavernomas; and 4. Temporal lobe cavernomas. After analyzing the patient series with these lesions, we concluded that: 1. IVCs are characterized by a high tendency to cause repetitive hemorrhages in a short period of time after the first event. In most patients, hemorrhages were not life-threatening. Surgery is indicated when re-bleedings are frequent and the mass-effect causes progressive neurological deterioration. Modern microsurgical techniques allow safe removal of the IVC, but surgery on fourth ventricle cavernomas carries increased risk of postoperative cranial nerve deficits. 2. In MC cases, when the cavernoma bleeds or generates drug-resistant epilepsy, microsurgical removal of the symptomatic lesion is beneficial to patients. In our series, surgical removal of the most active cavernoma usually the biggest lesion with signs of recent hemorrhage - was safe and prevented further bleedings. Epilepsy outcome showed the effectiveness of active treatment of MCs. However, due to the remaining cavernomas, epileptogenic activity can persist postoperatively, frequently necessitating long-term use of antiepileptic drugs. 3. Spinal cavernomas can cause severe neurological deterioration due to low tolerance of the spinal cord to mass-effect with progressive myelopathy. When aggravated by extralesional massive hemorrhage, neurological decline is usually acute and requires immediate treatment. Microsurgical removal of a cavernoma is effective and safe, improving neurological deficits. Sensorimotor deficits and pain improved postoperatively at a high rate, whereas bladder dysfunction remained essentially unchanged, causing social discomfort to patients. 4. Microsurgical removal of temporal lobe cavernomas is beneficial for patents suffering from drug-resistant epilepsy. In our series, 69% of patients with this condition became seizure-free postoperatively. Duration of epilepsy did not correlate with seizure prognosis. The most frequent disabling symptom at follow-up was memory disorder, considered to be the result of a complex interplay between chronic epilepsy and possible damage to the temporal lobe during surgery.

Visual Impairment in Finnish Children : Prevalence, causes and morbidity of full-term and preterm children with visual impairment born from 1972 through 1989

The prevalence and the causes of childhood visual impairment in Finland during the 1970s and the 1980s were investigated, with special attention to risk factors and further prevention of visual impairment in children. The primary data on children with visual impairment were obtained from the Finnish Register of Visual Impairment, one of the patient registers kept up by the National Research and Development Centre for Welfare and Health (Stakes). The data were supplemented from other registers in Stakes and from patient records of the children in Finnish central hospitals. Visual impairment had been registered in 556 children from a population of 1,138,326 children between ages 0-17, born from 1972 through 1989. The age-specific prevalence of registered visual impairment was 49/100,000 in total. Of them, 23/100,000 were blind children and 11/100,000 were children born prematurely. Boys were impaired more often and more severely than girls. Congenital malformations (52%), systemic diseases (48%), and multiple impairments (50%) were common. The main ophthalmic groups of visual impairment were retinal diseases (35%), ocular malformations (29%), and neuro-ophthalmological disorders (29%). Optic nerve atrophy was the most common diagnosis of visual impairment (22%), followed by congenital cataract (11%), retinopathy of prematurity (10%), and cerebral visual impairment (8%). Genetic factors (42%) were the most common etiologies of visual impairment, followed by prenatal (30%) and perinatal (21%) factors. The highest rates of blindness were seen in cerebral visual impairment (83%) and retinopathy of prematurity (82%). Retinopathy of prematurity had developed in the children born at a gestational age of 32 weeks or earlier. Significant risks for visual impairment were found in the association with preterm births, prenatal infections, birth asphyxia, neonatal respiratory difficulties, mechanical ventilation lasting over two weeks, and hyperbilirubinemia. A rise in blind and multi-impaired children was seen during the study period, associating with increases in the survival of preterm infants with extremely low birth weight. The incidence of visual impairment in children born prematurely was seven times higher than in children born at full term. A reliable profile of childhood visual impairment was obtained. The importance of highly qualified antenatal, neonatal, and ophthalmological care was clearly proved. The risks associated with pre- and perinatal disorders during pregnancy must be emphasized, e.g. the risks associated with maternal infections and the use of tobacco, alcohol, and drugs during pregnancy. Obvious needs for gene therapies and other new treatments for hereditary diseases were also proved.

Alterações comportamentais e a análise do estresse oxidativo na idade adulta de animais expostos a hipóxia pré-natal

A Hipóxia-Isquêmica (HI) pré-natal é caracterizada por uma redução no aporte de oxigênio e nutrientes para o feto durante o período gestacional, que pode acarretar, a longo prazo, em dificuldade de concentração e aprendizagem, hiperatividade e déficit de memória. Esses prejuízos podem persistir ou se agravar até a idade adulta, levando ainda ao aparecimento de doenças como epilepsia e paralisia cerebral (PC). A privação de oxigênio e nutrientes, assim como o estresse materno, anemia, eclâmpsia e uso de drogas durante a gestação, podem causar estresse oxidativo durante os períodos críticos do desenvolvimento, e pode ser a principal razão para as mudanças que levam a programação fetal. O objetivo deste estudo foi relacionar a geração de espécies reativas e a consequente formação de estresse oxidativo nos animais adultos, com as alterações da biodisponibilidade do óxido nítrico de forma sistêmica, além de mudanças nos comportamentos motor e de ansiedade, manutenção da memória e aprendizado. Para a hipóxia, foi utilizado o modelo de clampeamento das artérias uterinas das ratas no 18 dia gestacional por 45 min, analisando os filhotes após 90 dias de nascidos. Foram utilizados os testes Open Field e labirinto em cruz elevada para a análise comportamental, e análises das enzimas glutationa peroxidase (GPx), superóxido desmutase (SOD) e catalase, além de quantificação de nitritos, TBARs e carbonilação de proteínas para avaliação de mecanismos oxidantes e antioxidantes. Os resultados demonstraram que o insulto durante a gestação pode acarretar em redução na formação da enzima GPx, além de maior concentração de nitritos analisados nos soros dos animais hipoxiados quando comparados aos controles, contribuindo para o dano oxidativo. Também foi observada redução na memória de habituação e comportamento motor, além de elevado comportamento ansioso em animais hipoxiados, diferentemente de controles. Concluímos assim que a hipóxia isquêmica pré-natal pode alterar permanentemente o estado oxidativo dos animais, além de atuar na formação do comportamento motor, memória de habituação e ansiedade. As descobertas aqui apresentadas contribuem para ampliar o entendimento acerca do evento de hipóxia isquêmica pré-natal, além de prover ferramentas para o desenvolvimento de mecanismos protetores e preventivos aos possíveis danos por ela causados.

Hekate, de deusa ctônica dos atenienses do período clássico à deusa da feitiçaria no imaginário social do Ocidente

Nosso eixo temático se desenvolve a partir do questionamento do epíteto de Deusa da Feitiçaria atribuído tardiamente à deidade grega Hekate. A partir do período Clássico em Atenas iniciaram-se críticas às práticas mágico-religiosas cujo objetivo era fazer mal ao inimigo; realizadas por indivíduos (mágoi - magos) os quais também sabiam utilizá-las para a cura, como o uso das phármaka (ervas). O desenvolvimento da Escola de Medicina Hipocrática, no período Clássico, e seus tratados médicos, se configuram como uma das críticas direcionadas aos mágoi e das divindades que evocavam em suas práticas mágicas. Um tratado em especial, Da Doença Sagrada, combate a divinização da epilepsia e as práticas curativas desta enfermidade através da persuasão dos deuses. Platão também teceu críticas aos que ofereciam seus serviços mágicos de porta em porta por uma pequena quantia. Acreditamos que a partir dessas críticas se desenvolveu no imaginário social ateniense a relação entre a deusa grega Hekate e a magia de fazer mal ao inimigo cuja permanência é observada nos dias atuais. Nosso arcabouço teórico constitui-se dos conceitos desenvolvidos pelo filósofo polonês Bronislaw Baczko no verbete imaginação social na Enciclopedia Einaudi.

Efeitos da hipóxia-isquemia perinatal sobre o comportamento motor, distribuição da Tirosina Hidroxilase na substância negra e da NADPH diaforase no hipocampo durante o desenvolvimento em ratos

A hipóxia isquemia (HI) pré-natal é uma das principais causas de mortalidade e doenças neurológicas crônicas em neonatos, que podem apresentar déficits remanentes como: retardamento, paralisia cerebral, dificuldade de aprendizado ou epilepsia. Estes prejuízos, provavelmente, estão relacionados com o atraso no desenvolvimento neural, astrogliose e com a perda de neurônios e oligodendrócitos. Déficits funcionais e cognitivos estão associados à degeneração de vias dopaminérgicas e de estruturas hipocampais. A enzima tirosina hidroxilase (TH) é a enzima limitante na síntese de dopamina e seus níveis são alterados em eventos de HI. O óxido nítrico (NO) é um gás difusível que atua modulando diferentes sistemas, participando de eventos como plasticidade sináptica e neuromodulação no sistema nervoso central e é produzido em grandes quantidades em eventos de injúria e inflamação, como é o caso da HI. O presente estudo teve por objetivos avaliar, utilizando o modelo criado por Robinson e colaboradores em 2005, os efeitos da HI sobre o comportamento motor e avaliar o desenvolvimento de estruturas encefálicas relacionadas a este comportamento como a substância negra (SN) e o complexo hipocampal. A HI foi induzida a partir do clampeamento das artérias uterinas da rata grávida, por 45 minutos no décimo oitavo dia de gestação (grupo HI). Em um grupo de fêmeas a cirurgia foi realizada, mas não houve clampeamento das artérias (grupo SHAM). A avaliação do comportamento motor foi realizada com os testes ROTAROD e de campo aberto em animais de 45 dias. Os encéfalos foram processados histologicamente nas idades de P9, P16, P23 e P90, sendo então realizada imunohistoquímica para TH e histoquímica para NADPH diaforase (NADPH-d), para avaliação do NO. Nossos resultados demonstraram redução da imunorreatividade para a TH em corpos celulares na SN aos 16 dias no grupo HI e aumento na imunorreatividade das fibras na parte reticulada aos 23 dias, com a presença de corpos celulares imunorreativos nesta região no grupo HI. Demonstramos também aumento do número de células marcadas para NADPH-d no giro dentado nos animais HI, nas idades analisadas, assim como aumento na intensidade de reação no corno de Ammon (CA1 e CA3) aos 9 dias no grupo HI, e posterior redução nesta marcação aos 23 e 90dias neste mesmo grupo. Nos testes comportamentais, observamos diminuição da atividade motora no grupo HI com uma melhora do desempenho ao longo dos testes no ROTAROD, sem entretanto atingir o mesmo nível do grupo SHAM. Os animais HI não apresentaram maior nível de ansiedade em relação ao grupo SHAM, descartando a hipótese das alterações observadas nos testes de motricidade estarem relacionadas a fatores ansiogênicos. O modelo de clampeamento das artérias uterinas da fêmea se mostrou uma ferramenta importante no estudo das alterações decorrentes do evento de HI pré-natal, por produzir diversos resultados que são similares aos ocorridos em neonatos que passam por este evento.

Adherence to antiepileptic medicines in children: A multiple-methods assessment involving dried blood spot sampling

Purpose: To evaluate adherence to prescribed antiepileptic drugs (AEDs) in children with epilepsy using a combination of adherence-assessment methods.
Methods: A total of 100 children with epilepsy (=17 years old) were recruited. Medication adherence was determined via parental and child self-reporting (=9 years old), medication refill data from general practitioner (GP) prescribing records, and via AED concentrations in dried blood spot (DBS) samples obtained from children at the clinic and via self- or parental-led sampling in children's own homes. The latter were assessed using population pharmacokinetic modeling. Patients were deemed nonadherent if any of these measures were indicative of nonadherence with the prescribed treatment. In addition, beliefs about medicines, parental confidence in seizure management, and the presence of depressed mood in parents were evaluated to examine their association with nonadherence in the participating children.
Key Findings: The overall rate of nonadherence in children with epilepsy was 33%. Logistic regression analysis indicated that children with generalized epilepsy (vs. focal epilepsy) were more likely (odds ratio [OR] 4.7, 95% confidence interval [CI] 1.37-15.81) to be classified as nonadherent as were children whose parents have depressed mood (OR 3.6, 95% CI 1.16-11.41).
Significance: This is the first study to apply the novel methodology of determining adherence via AED concentrations in clinic and home DBS samples. The present findings show that the latter, with further development, could be a useful approach to adherence assessment when combined with other measures including parent and child self-reporting. Seizure type and parental depressed mood were strongly predictive of nonadherence. © 2013 International League Against Epilepsy.
Key Words: Adherence, Epilepsy, Dried blood spots, MARS, Depressed mood.

Phase transitions and nonlinear phenomena in neuronal network models

Communication and cooperation between billions of neurons underlie the power of the brain. How do complex functions of the brain arise from its cellular constituents? How do groups of neurons self-organize into patterns of activity? These are crucial questions in neuroscience. In order to answer them, it is necessary to have solid theoretical understanding of how single neurons communicate at the microscopic level, and how cooperative activity emerges. In this thesis we aim to understand how complex collective phenomena can arise in a simple model of neuronal networks. We use a model with balanced excitation and inhibition and complex network architecture, and we develop analytical and numerical methods for describing its neuronal dynamics. We study how interaction between neurons generates various collective phenomena, such as spontaneous appearance of network oscillations and seizures, and early warnings of these transitions in neuronal networks. Within our model, we show that phase transitions separate various dynamical regimes, and we investigate the corresponding bifurcations and critical phenomena. It permits us to suggest a qualitative explanation of the Berger effect, and to investigate phenomena such as avalanches, band-pass filter, and stochastic resonance. The role of modular structure in the detection of weak signals is also discussed. Moreover, we find nonlinear excitations that can describe paroxysmal spikes observed in electroencephalograms from epileptic brains. It allows us to propose a method to predict epileptic seizures. Memory and learning are key functions of the brain. There are evidences that these processes result from dynamical changes in the structure of the brain. At the microscopic level, synaptic connections are plastic and are modified according to the dynamics of neurons. Thus, we generalize our cortical model to take into account synaptic plasticity and we show that the repertoire of dynamical regimes becomes richer. In particular, we find mixed-mode oscillations and a chaotic regime in neuronal network dynamics.

Synaptic dysfunction in early encephalopathies : from genes to function

Tese de doutoramento, Medicina (Neurologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2015

Characterization of adenosinergic system in Rett syndrome

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2015