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A theoretical investigation into dynamic neurological disorders caused by thalamocortical dysrhythmia


Proske, Jörn Henning. A theoretical investigation into dynamic neurological disorders caused by thalamocortical dysrhythmia. 2009, University of Zurich, Faculty of Arts.

Abstract

Functional neurosurgery has been shown to be a successful treatment strategy for dynamic neurological disorders caused by thalamocortical dysrhythmia. So far, this has been described in terms of abstract models that are able to explain some of the observed characteristics of the disease. These models however do not have a numerical basis and are hence unable to produce testable predictions. In this thesis I outline a computational model of thalamocortical dysrhythmia that is both anatomically and physiologically accurate and is able to recreate phenomena observed in thalamocortical dysrhythmia as well as generate testable predictions. In Chapter 3 I look at the generation of low-frequency rhythmicity in a single thalamocortical module. I propose and contrast mechanisms that could potentially translate hyperpolarization into rhythmic persistent bursting. In Chapter 4 I demonstrate in a large-scale thalamic model consisting of different nuclei how the results from Chapter 3 hold up in the face of lateral interactions at the level of the thalamus. Furthermore, I provide an explanation for the importance of medial thalamic nuclei for the generation of physiological and pathological rhythms. The model also provides a number of important predictions regarding the efficacy of neurosurgical targets. In Chapter 5, I look at the generation of positive and negative symptoms in TCD. I show the numerical feasibility of unbalanced lateral cortical inhibition leading to over-activation surrounding TCD-affected areas (edge effect). I investigate what part of the parameter space is able to support such an activation pattern.

Die Behandlung dynamischer neurologischer Erkrankungen bedingt durch thalamokortikale Dysrhythmie durch funktionelle neurochirurgische Eingriffe ist Rhythmus gilt als bemerkenswert erfolgreich. Bis jetzt wurde dies durch abstrakte Modelle gezeigt, die in der Lage sind einige der typischen Krankheitssymptome zu erklären. Diese Modelle sind allerdings nicht auf numerischen Simulationen aufgebaut und deshalb nicht in der Lage überprüfbare Vorhersagen zu generieren. In dieser Arbeit stelle ich ein Computermodell der thalamokortikalen Dysrhythmie vor, das sowohl eng an die anatomophysiologischen Gegebenheiten angelehnt ist, als auch in der Lage ist, verschiedene beobachtete Krankheitsphänomene nachzubilden und testbare Vorhersagen zu treffen. In Kapitel 3 beschreibe ich die Generierung niedrigfrequenter Rhythmen in einem isolierten thalamokortikalen Modul. Ich schlage verschieden potenzielle Mechanismen vor, die die Übersetzung der Hyperpolarisierung thalamischer Zellen in rhythmisches Bursten erklären können. In Kapitel 4 zeige ich in einem grossformatigen thalamischen Modell bestehend aus verschiedenen Zellkernen wie die Ergebnisse aus Kapitel 3 sich mit lateralen Verbindungen kombinieren lassen. Des weiteren liefere ich eine Erklärung für die zentrale Rolle, die mediale thalamische Zellkerne in der Generierung physiologischer und pathologischer Rhythmen zu spielen scheinen. Das Modell ist ausserdem in der Lage wichtige Vorhersagen über die Effizienz neurochirurgischer Ziele zu treffen. In Kapitel 5 beleuchte ich die Generierung von positiven und negativen Symptomen in thalamokortikaler Dysrhythmie. Ich zeige mit numerischen Mitteln die Möglichkeit von ungleichmässiger lateraler Inhibition im Kortex, die zur übermässigen Aktivierung der umgebenden Bereiche führen kann. Ich beschreibe welcher Teil des Parameterraumes in der Lage ist solche Effekte hervorzurufen.

Abstract

Functional neurosurgery has been shown to be a successful treatment strategy for dynamic neurological disorders caused by thalamocortical dysrhythmia. So far, this has been described in terms of abstract models that are able to explain some of the observed characteristics of the disease. These models however do not have a numerical basis and are hence unable to produce testable predictions. In this thesis I outline a computational model of thalamocortical dysrhythmia that is both anatomically and physiologically accurate and is able to recreate phenomena observed in thalamocortical dysrhythmia as well as generate testable predictions. In Chapter 3 I look at the generation of low-frequency rhythmicity in a single thalamocortical module. I propose and contrast mechanisms that could potentially translate hyperpolarization into rhythmic persistent bursting. In Chapter 4 I demonstrate in a large-scale thalamic model consisting of different nuclei how the results from Chapter 3 hold up in the face of lateral interactions at the level of the thalamus. Furthermore, I provide an explanation for the importance of medial thalamic nuclei for the generation of physiological and pathological rhythms. The model also provides a number of important predictions regarding the efficacy of neurosurgical targets. In Chapter 5, I look at the generation of positive and negative symptoms in TCD. I show the numerical feasibility of unbalanced lateral cortical inhibition leading to over-activation surrounding TCD-affected areas (edge effect). I investigate what part of the parameter space is able to support such an activation pattern.

Die Behandlung dynamischer neurologischer Erkrankungen bedingt durch thalamokortikale Dysrhythmie durch funktionelle neurochirurgische Eingriffe ist Rhythmus gilt als bemerkenswert erfolgreich. Bis jetzt wurde dies durch abstrakte Modelle gezeigt, die in der Lage sind einige der typischen Krankheitssymptome zu erklären. Diese Modelle sind allerdings nicht auf numerischen Simulationen aufgebaut und deshalb nicht in der Lage überprüfbare Vorhersagen zu generieren. In dieser Arbeit stelle ich ein Computermodell der thalamokortikalen Dysrhythmie vor, das sowohl eng an die anatomophysiologischen Gegebenheiten angelehnt ist, als auch in der Lage ist, verschiedene beobachtete Krankheitsphänomene nachzubilden und testbare Vorhersagen zu treffen. In Kapitel 3 beschreibe ich die Generierung niedrigfrequenter Rhythmen in einem isolierten thalamokortikalen Modul. Ich schlage verschieden potenzielle Mechanismen vor, die die Übersetzung der Hyperpolarisierung thalamischer Zellen in rhythmisches Bursten erklären können. In Kapitel 4 zeige ich in einem grossformatigen thalamischen Modell bestehend aus verschiedenen Zellkernen wie die Ergebnisse aus Kapitel 3 sich mit lateralen Verbindungen kombinieren lassen. Des weiteren liefere ich eine Erklärung für die zentrale Rolle, die mediale thalamische Zellkerne in der Generierung physiologischer und pathologischer Rhythmen zu spielen scheinen. Das Modell ist ausserdem in der Lage wichtige Vorhersagen über die Effizienz neurochirurgischer Ziele zu treffen. In Kapitel 5 beleuchte ich die Generierung von positiven und negativen Symptomen in thalamokortikaler Dysrhythmie. Ich zeige mit numerischen Mitteln die Möglichkeit von ungleichmässiger lateraler Inhibition im Kortex, die zur übermässigen Aktivierung der umgebenden Bereiche führen kann. Ich beschreibe welcher Teil des Parameterraumes in der Lage ist solche Effekte hervorzurufen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Jäncke Lutz, Jeanmonod Daniel
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zurich
Date:2009
Deposited On:10 May 2019 13:34
Last Modified:15 Apr 2021 15:00
Number of Pages:99
OA Status:Green

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