Eusebio, A; (2012) Mechanisms and consequences of beta oscillatory activity propagation in the basal ganglia-cortical network in Parkinson's disease. Doctoral thesis , UCL (University College London).

Abstract

Excessive neural synchronisation in the beta frequency band (10-35 Hz) is a hallmark of Parkinson’s disease (PD) but the mechanisms underlying the generation and propagation of such oscillatory activity and its links with movement impairment remain partly unclear. Patients receiving deep brain stimulation of the subthalamic nucleus (STN DBS) provide a unique opportunity to address these issues by either recording the neuronal activity from the implanted electrodes or driving the network to study the behavioural and neurophysiological effects of stimulation. The studies outlined in this thesis bring further understanding into the mechanisms by which beta oscillations pervade every level of the basal ganglia – cortical network, how they impair movement and how they are modified by the usual treatments of PD such as dopamine or STN DBS. We performed a series of experiments involving PD patients either in the post-operative phase of DBS or chronically stimulated, and in an animal model of PD to study the effect of beta frequency STN stimulation on movement, the effect of high frequency STN stimulation on beta oscillations and the network properties underlying its vulnerability to beta frequencies. The findings of these studies suggest the existence of anatomically segregated subthalamo-cortical networks, with specific properties and susceptibility to resonate variably impaired in PD patients. We propose that excessive beta oscillations in PD are primarily due to a failing damping system rather than a net increase in their generation, and that dopaminergic drugs act to partially restore this damping system, while high frequency DBS suppresses pathological local beta activity. / Abstract in French: Les oscillations neuronales dans la bande beta (10-35 Hz) sont caractéristiques de la maladie de Parkinson (MP). Toutefois, les mécanismes qui sous-tendent la genèse et la propagation des ces activités et leurs liens avec les troubles moteurs restent obscurs. La chirurgie de stimulation des noyaux sous-thalamiques (NST) permet d’enregistrer l’activité neuronale par l’électrode implantée et d’étudier les effets moteurs et neurophysiologiques de la stimulation. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but d’améliorer la compréhension de l’origine de la diffusion des oscillations beta dans le réseau subthalamo-cortical, de leur retentissement sur la motricité et de l’influence des traitements de la MP sur celles-ci. Nous avons effectué une série d’expériences chez des patients parkinsoniens et chez un modèle animal de la MP pour étudir les effets de la stimulation du NST dans la bande beta sur la motricité, ceux de la stimulation à haute fréquence du NST sur les oscillations beta et les propriétés de réseau à l’origine de sa vulnérabilité aux fréquences beta. Les résultats de ces travaux suggèrent l’existence de réseaux subthalamo-corticaux distincts, présentant des propriétés et une susceptibilité à la résonance propres, et qui seraient atteints de façon variable selon les patients, possiblement en rapport avec la variabilité clinique de la MP. Nous proposons que les oscillations beta dans la MP sont principalement dues à la faillite du système d’atténuation plutôt qu’à une augmentation de leur genèse, que les traitements dopaminergiques restaurent partiellement ce système d’atténuation alors que la stimulation à haute fréquence du NST supprime cette activité.

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