Tesis:
Oscillatory and non-oscillatory beta activity in Parkinson's disease
- Autor: PARDO VALENCIA, Jesús
- Título: Oscillatory and non-oscillatory beta activity in Parkinson's disease
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88964/
- Director/a 1º: FOFFANI, Guglielmo
- Resumen: Parkinson's disease is a neurodegenerative disorder that primarily affects the cortico-basal ganglia circuit in the brain. Patients suffering from this disease present several motor signs such as bradykinesia, rigidity and tremor, which largely reduce their quality of life. This motor impairment in patients seems to be related to exaggerated beta band (13-35 Hz) neural activity in the cortico-basal ganglia circuit, being considered a hallmark of the disease. For decades, it has been widely accepted that neural oscillatory activity at beta frequencies would be the sole component related to the disease pathophysiology. However, recent studies suggest that also the non-oscillatory component may intervene in the pathological processes of Parkinson's disease.
This thesis aims to identify the role of the oscillatory and non-oscillatory parts of beta activity in the pathophysiology and pathogenesis of Parkinson's disease, by means of developing a principled framework that allows us to properly investigate both components.
Beta band activity in patients recordings is typically assessed with classical spectral analysis. However, the power spectrum ambiguously measures both oscillatory and non-oscillatory components. Several algorithms have been developed to overcome this ambiguity. Most of them estimate the oscillatory activity indirectly by subtracting the estimated non-oscillatory component from the total power spectrum. Despite these advances, accurately estimating non-oscillatory activity in real neurophysiological signals remains a challenge. Here we introduce a new principled framework designed to separately analyse oscillatory and non-oscillatory activity in biological signals. The approach is rigorously supported by mathematical justification and validated using simulated data.
Subthalamic local field potentials from patients were studied using the developed framework to identify the relative contribution, dopamine dependency, response to neuromodulation and clinical relevance of oscillatory and non-oscillatory subthalamic beta activity in Parkinson's disease. We found that only the oscillatory component of subthalamic beta activity is dopamine dependent, while deep brain stimulation primarily modulates non-oscillatory activity in the subthalamic nucleus of patients. Additionally, we showed that the oscillatory component of subthalamic beta activity, particularly in the low-beta range, is related to the parkinsonian akinetic-rigid clinical phenotype, and may play a key role in both the pathophysiology and the progression of Parkinson's disease.
Therefore, we demonstrated that using our new principled framework it is possible to separately assess the impact of the different components of subthalamic beta activity, i.e., oscillatory and non-oscillatory, in Parkinson's disease.
RESUMEN
La enfermedad de Parkinson es un trastorno neurodegenerativo que afecta principalmente al circuito cortico-basal del cerebro. Los pacientes que padecen esta enfermedad presentan varios signos motores como bradicinesia, rigidez y temblor, que reducen en gran medida su calidad de vida. Este deterioro motor parece estar relacionado con un aumento de actividad neuronal en la banda beta (13-35 Hz) en el circuito cortico-basal, considerándose un sello distintivo de la enfermedad. Durante décadas, se ha aceptado ampliamente que la actividad neural oscilatoria en frecuencias beta sería el único componente relacionado con la fisiopatología de la enfermedad. Sin embargo, estudios recientes sugieren que la componente no oscilatoria también podría intervenir en los procesos patológicos de la enfermedad de Parkinson.
Esta tesis tiene como objetivo identificar el papel de las partes oscilatoria y no oscilatoria de la actividad beta en la fisiopatología y patogénesis de la enfermedad de Parkinson, mediante el desarrollo de un marco fundamentado que nos permita investigar adecuadamente ambos componentes.
La actividad de la banda beta en registros de pacientes suele evaluarse con el análisis espectral clásico. Sin embargo, el espectro de potencia mide de forma ambigua tanto las componentes oscilatorias como las no oscilatorias. Se han desarrollado varios algoritmos para superar esta ambigüedad. La mayoría de ellos estiman la actividad oscilatoria indirectamente restando el componente no oscilatorio estimado del espectro de potencia total. A pesar de estos avances, la estimación precisa de la actividad no oscilatoria en señales neurofisiológicas reales sigue siendo un reto. En el presente trabajo presentamos un nuevo marco fundamentado diseñado para analizar por separado la actividad oscilatoria y no oscilatoria en señales biológicas. El planteamiento se apoya rigurosamente en una justificación matemática y se valida mediante datos simulados.
Se estudiaron potenciales de campo locales subtalámicos de pacientes utilizando el marco desarrollado para identificar la contribución relativa, la dependencia de la dopamina, la respuesta a la neuromodulación y la relevancia clínica de la actividad beta subtalámica oscilatoria y no oscilatoria en la enfermedad de Parkinson. Encontramos que sólo el componente oscilatorio de la actividad beta subtalámica es dependiente de la dopamina, mientras que la estimulación cerebral profunda modula principalmente la actividad no oscilatoria en el núcleo subtalámico de los pacientes. Además, demostramos que la componente oscilatoria de la actividad beta subtalámica, particularmente en el rango beta bajo, está relacionada con el fenotipo clínico acinético rígido parkinsoniano, y que puede desempeñar un papel clave tanto en la fisiopatología como en la progresión de la enfermedad de Parkinson.
Demostramos, por tanto, que con nuestro nuevo marco fundamentado es posible evaluar por separado el impacto de los diferentes componentes de la actividad beta subtalámica, es decir, oscilatoria y no oscilatoria, en la enfermedad de Parkinson.