DOI: https://doi.org/10.3934/era.2026054
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Bing Hu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الاضطرابات العصبية والعلاجات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة إطارًا حسابيًا جديدًا، يُطلق عليه اسم نواة القشرة-المهاد-العقد القاعدية-النواة البونتينية (CTBGP)، لاستكشاف الآليات التنظيمية للاهتزازات بيتا من خلال المسارات المرتبطة بالنواة البونتينية (PPN). تكشف النتائج أن مسارات PPN-المهاد تمارس سيطرة ثنائية الاتجاه على اهتزازات بيتا المهاد من خلال ديناميات انقسام هوب، حيث يمكن أن تؤدي التغيرات في قوة الارتباط إلى تغيير الحدود بين الحالات المستقرة والاهتزازية. بالإضافة إلى ذلك، تعمل إسقاطات PPN إلى القشرة على تثبيت اهتزازات بيتا القشرية، بينما تعدل إسقاطات PPN إلى الكرة الشاحبة الداخلية (GPi) والنواة تحت المهاد (STN) اهتزازات بيتا في دوائر القشرة-المهاد والعقد القاعدية، على التوالي. ومن الجدير بالذكر أن إسقاط PPN-STN يلعب دورًا حاسمًا في قمع اهتزازات بيتا من خلال تعزيز النشاط داخل شبكة النواة الخارجية الجانبية (GPe).
تسلط الاستنتاجات المستخلصة من هذه الأبحاث الضوء على عدة نتائج رئيسية: (1) تطوير نموذج موحد CTBGP يدمج PPN مع دائرة القشرة-المهاد-العقد القاعدية؛ (2) الظهور المستقل للاهتزازات بيتا (βOS) داخل دوائر القشرة-المهاد أو العقد القاعدية، مشروطًا بمجموعات معينة من قوة الاتصال؛ (3) الدور المزدوج لإسقاطات PPN-القشرية في تعزيز أو تثبيط βOS؛ (4) القمع الكبير للاهتزازات βOS المرضية بواسطة إسقاط PPN-STN الغلوتاماتيكي؛ (5) التغذية الراجعة من STN إلى PPN التي تنظم بشكل غير مباشر استقرار الاهتزازات؛ (6) السيطرة الثنائية الاتجاه على βOS بواسطة إسقاطات PPN إلى GPi من خلال مسارات مثبطة؛ و (7) قدرة قوة الاتصال المرتبطة بـ PPN على تغيير حدود انقسام هوب، مما يؤثر على بدء وصيانة βOS. تشير هذه الرؤى إلى أهداف محتملة للتحفيز العميق للدماغ (DBS) والتدخلات الدوائية التي تهدف إلى تعديل اهتزازات بيتا.
مقدمة
مرض باركنسون (PD) هو اضطراب عصبي تنكسي شائع يتميز بأعراض حركية مثل الرعشة، والصلابة، وبطء الحركة. ميزة مرضية هامة في PD هي وجود اهتزازات غير طبيعية في نطاق بيتا (βOS) في العقد القاعدية (BG)، والتي تعطل معالجة المعلومات الطبيعية داخل حلقة BG-المهاد-القشرة، مما يساهم في خلل الحركة. تم اقتراح عدة فرضيات حول أصل βOS، بما في ذلك فرضيات أصل المهاد، والقشرة، ودائرة BG، ودائرة القشرة-المهاد-العقد القاعدية (CTBG). فهم هذه الآليات أمر بالغ الأهمية لتطوير استراتيجيات علاجية جديدة، وقد تم استخدام نماذج حسابية لاستكشاف ديناميات βOS.
سلطت الأبحاث الأخيرة الضوء على دور النواة البونتينية (PPN) في PD، خاصة فيما يتعلق بالأعراض المحورية مثل عدم الاستقرار الوضعي واضطرابات المشي. تشير الأدلة السريرية إلى أن التحفيز الكهربائي منخفض التردد للنواة البونتينية يمكن أن يخفف من هذه الأعراض، مما يشير إلى إمكانيته كهدف علاجي. تؤكد الروابط التشريحية المعقدة للنواة البونتينية مع القشرة، والمهاد، وBG على أهميتها في تنظيم الحركة. ومع ذلك، تظل الآليات الديناميكية التي تنظم بها النواة البونتينية الاهتزازات الباركنسونية غير مفهومة جيدًا.
في هذه الدراسة، تم تطوير أربعة نماذج حسابية CTBG للتحقيق في الآليات التنظيمية لـ βOS، مما يكشف أن التغيرات في أوزان الارتباط يمكن أن تحفز هذه الاهتزازات من خلال انقسامات هوب. تشير النتائج إلى أن GP له تأثير تنظيمي ثنائي الاتجاه على βOS وأن كل من التحفيز الكهربائي الخارجي والتحفيز العميق للدماغ (DBS) يمكن أن يقمع هذه الاهتزازات بشكل فعال. تختتم الدراسة بأن النواة البونتينية تلعب دورًا حاسمًا في تنظيم βOS وتقترح أن استهداف النواة البونتينية يمكن أن يكون استراتيجية تدخل واعدة لـ PD. يتم مناقشة المنهجية التفصيلية والنتائج في الأقسام التالية من الورقة.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة للتحقيق في فرضية البحث. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، بالإضافة إلى مصادرها وطرق تحضيرها. كما يصف القسم المنهجيات المطبقة، مثل البروتوكولات التجريبية، وتقنيات جمع البيانات، والتحليلات الإحصائية، مما يضمن إمكانية تكرار الدراسة.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم معلومات عن حجم العينة، والضوابط، وأي ظروف محددة تم إجراء التجارب تحتها. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية إجراء البحث ويدعم صحة النتائج المقدمة في الأقسام التالية من الورقة.
مناقشة
يُفترض أن شبكة CTBGP، التي تدمج دوائر القشرة-المهاد والعقد القاعدية (BG)، تنظم اهتزازات بيتا (βOS) من خلال مسارات عصبية متنوعة. تتكون الشبكة من عدة نوى، بما في ذلك النواة تحت المهاد (STN)، والدوبامين D1 وD2 (SD1، SD2)، والكرة الشاحبة الداخلية (GPi)، والخارجية (GPe)، بالإضافة إلى مكونات دائرة القشرة-المهاد. يتم توصيل الإسقاطات بين هذه النوى من خلال روابط غلوتاماتية مثيرة (GLU) وروابط غابايرجية مثبطة (GABA)، مع وجود آليات تغذية راجعة ذاتية في عدة نوى. يفترض النموذج أن النواة البونتينية (PPN) تلعب دورًا كبيرًا في تعديل نشاط المهاد، حيث تمارس إسقاطات GLU مباشرة إلى كل من النواة المهادية (SRN) والنواة الشبكية المهادية (TRN)، بالإضافة إلى روابط متبادلة مع النواة القشرية المثيرة (EPN).
تحدد الدراسة أيضًا أربعة نماذج متميزة (CTBGP1 إلى CTBGP4) لتحليل المسارات المتعلقة بـ PPN في التحكم في βOS. يفترض كل نموذج أصولًا مختلفة لـ βOS – تتراوح بين دوائر المهاد، والقشرة، والدائرة القشرية-المهادية إلى التفاعلات غير الطبيعية داخل دائرة BG. تشير النتائج إلى أن التغيرات في قوة الارتباط داخل دائرة المهاد يمكن أن تحفز βOS، مع وجود مسارات محددة (مثل PPN-TRN وPPN-SRN) تظهر تأثيرات تنظيمية متميزة. تقترح النتائج أن إسقاط STN-PPN يمكن أن يعدل βOS من خلال كلا المسارين، مع تأثير إسقاط PPN-GPi أيضًا على βOS عبر مسارات GPi-المهاد. بشكل عام، يوفر نموذج CTBGP إطارًا شاملاً لفهم التفاعلات الديناميكية والآليات التنظيمية التي تكمن وراء βOS في سياق مرض باركنسون.
DOI: https://doi.org/10.3934/era.2026054
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Bing Hu et al.
Primary Topic: Neurological disorders and treatments
Overview
This study presents a novel computational framework, termed the cortico-thalamo-basal ganglia-pedunculopontine nucleus (CTBGP), to explore the regulatory mechanisms of beta oscillations by pathways associated with the pedunculopontine nucleus (PPN). The findings reveal that PPN-thalamic pathways exert bidirectional control over thalamic beta oscillations through Hopf bifurcation dynamics, where variations in coupling strength can alter the boundaries between stable and oscillatory states. Additionally, PPN projections to the cortex stabilize cortical beta oscillations, while PPN projections to the globus pallidus internus (GPi) and subthalamic nucleus (STN) modulate beta oscillations in the cortico-thalamic and basal ganglia circuits, respectively. Notably, the PPN-STN projection plays a critical role in suppressing beta oscillations by enhancing activity within the STN-ganglionic external segment (GPe) network.
The conclusions drawn from this research highlight several key findings: (1) the development of a unified CTBGP model that integrates PPN with the cortico-thalamic-basal ganglia circuit; (2) the independent emergence of beta oscillations (βOS) within the cortico-thalamic or basal ganglia circuits, contingent on specific connection strength combinations; (3) the dual role of PPN-cortical projections in either promoting or inhibiting βOS; (4) the significant suppression of pathological βOS by the PPN-STN glutamatergic projection; (5) the feedback from STN to PPN that indirectly regulates oscillatory stability; (6) the bidirectional control of βOS by PPN projections to GPi through inhibitory pathways; and (7) the ability of PPN-related connection strengths to shift Hopf bifurcation boundaries, thereby influencing the initiation and maintenance of βOS. These insights suggest potential targets for deep brain stimulation (DBS) and pharmacological interventions aimed at modulating beta oscillations.
Introduction
Parkinson’s disease (PD) is a common neurodegenerative disorder marked by motor symptoms such as tremor, rigidity, and bradykinesia. A significant pathophysiological feature of PD is the presence of abnormal beta-band oscillations (βOS) in the basal ganglia (BG), which disrupt normal information processing within the BG-thalamo-cortical loop, contributing to motor dysfunction. Several hypotheses regarding the origin of βOS have been proposed, including the thalamic, cortical, BG circuit, and cortico-thalamo-basal ganglia (CTBG) circuit origin hypotheses. Understanding these mechanisms is crucial for developing new treatment strategies, and computational models have been utilized to explore the dynamics of βOS.
Recent research has highlighted the role of the pedunculopontine nucleus (PPN) in PD, particularly concerning axial symptoms like postural instability and gait disorders. Clinical evidence suggests that low-frequency electrical stimulation of the PPN can alleviate these symptoms, indicating its potential as a therapeutic target. The PPN’s complex anatomical connections with the cortex, thalamus, and BG underscore its importance in motor regulation. However, the dynamic mechanisms by which the PPN regulates Parkinsonian oscillations remain poorly understood.
In this study, four CTBG computational models were developed to investigate the regulatory mechanisms of βOS, revealing that alterations in coupling weights can trigger these oscillations through Hopf bifurcations. The findings indicate that the GP has a bidirectional regulatory influence on βOS and that both external electrical stimulation and deep brain stimulation (DBS) can effectively suppress these oscillations. The study concludes that the PPN plays a critical role in regulating βOS and suggests that targeting the PPN could be a promising intervention strategy for PD. The detailed methodology and results are discussed in subsequent sections of the paper.
Methods
The “Materials and Methods” section of the research paper outlines the experimental design and procedures employed to investigate the research hypothesis. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, as well as their sources and preparation methods. The section also describes the methodologies applied, such as experimental protocols, data collection techniques, and statistical analyses, ensuring reproducibility of the study.
Additionally, the section may include information on the sample size, controls, and any specific conditions under which the experiments were conducted. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the research was carried out and supports the validity of the findings presented in subsequent sections of the paper.
Discussion
The CTBGP network, which integrates the cortico-thalamic and basal ganglia (BG) circuits, is hypothesized to regulate beta oscillations (βOS) through various neural pathways. The network consists of multiple nuclei, including the subthalamic nucleus (STN), striatal D1 and D2 (SD1, SD2), globus pallidus internus (GPi), and externus (GPe), as well as components of the cortico-thalamic circuit. Projections between these nuclei are mediated by excitatory glutamatergic (GLU) and inhibitory GABAergic (GABA) connections, with self-feedback mechanisms present in several nuclei. The model posits that the pedunculopontine nucleus (PPN) plays a significant role in modulating thalamic activity, exerting direct GLU projections to both the thalamic relay nucleus (SRN) and the thalamic reticular nucleus (TRN), as well as reciprocal connections with the excitatory cortical nucleus (EPN).
The study further delineates four distinct models (CTBGP1 to CTBGP4) to analyze the pathways related to PPN in controlling βOS. Each model hypothesizes different origins of βOS—ranging from thalamic, cortical, and cortical-thalamic circuits to abnormal interactions within the BG circuit. The findings indicate that alterations in coupling strengths within the thalamic circuit can induce βOS, with specific pathways (e.g., PPN-TRN and PPN-SRN) exhibiting distinct regulatory effects. The results suggest that the STN-PPN projection can modulate βOS through both pathways, with the PPN-GPi projection also influencing βOS via GPi-thalamic pathways. Overall, the CTBGP model provides a comprehensive framework for understanding the dynamic interactions and regulatory mechanisms underlying βOS in the context of Parkinson’s disease.