A model of neurovascular coupling : the neurovascular unit and the effect of the endothelial cells’ mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μαρία Δημαρόγκωνα | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μιχάλης Κορνάρος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Ιωάννης Δημακόπουλος | |
| dc.contributor.author | Κυριακού, Θεοδώρα | |
| dc.contributor.other | Kyriakou, Theodora | |
| dc.date.accessioned | 2024-07-15T10:10:25Z | |
| dc.date.available | 2024-07-15T10:10:25Z | |
| dc.date.issued | 2024-07-11 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | The neurovascular unit consists of neurons (NEs), astrocytes (ACs), vasculature (endothelial cells (ECs) and mural cells), the vasomotor apparatus (smooth muscle cells (SMCs) and pericytes) and mi-croglia. Together, these function in the homeostatic haeomodynamic response of cerebral hyperae-mia, a central nervous system homeostatic mechanism that increases blood supply to neural tissue when necessary. A better understanding of functional hyperaemia is important not only for the field of neuroscience but for the medical one as well, as neuroimaging techniques, such as fMRI, fNRIS and PET scans monitor cerebral blood flow and can, subsequently, measure and locate brain activity. More specifically, an fMRI detects the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal which reflects changes in deoxyhemoglobin triggered by alterations in brain blood flow and blood oxygenation. fNIRS is a non-invasive, portable method employing near-infrared light propagating diffusely through the scalp and brain, for functional monitoring and imaging of human brain hemodynamics, while a PET scan uses injected radioactive material to visualise active areas of the brain. This thesis reports the development of a lumped-element model of a neurovascular unit (NVU). The cells involved in this model are a neuron, an astrocyte, an endothelial cell and a smooth muscle cell. The pathways that affect the radius of a blood capillary in the brain after the creation of a neural pulse were investigated. These are the potassium pathway, the astrocytic calcium pathway in combi-nation with a transient receptor potential cation channel in the astrocytic endfoot and the nitric oxide pathway. A computational model was built that includes the three pathways, which can be turned on and off with suitable switches. We first analysed the model's results when it contains solely the po-tassium pathway. The same procedure was followed for the astrocytic calcium pathway with the TRPV4 channel and the nitric oxide pathway. The results of the above were compared with each other but also with the model which includes all the pathways mentioned. To compare the results, diagrams were created for various system vari-ables. The graph depicting the radius of the vessel over time was the most important among them. We presented the response of the vessel’s radius to the neural pulse for each pathway alone and for all three together. What emerged from this analysis were the following: • The potassium pathway is responsible for the rapid response of the vessel to neuronal activity. • The nitric oxide pathway is responsible for the longer dilation of the blood vessel after the onset of the pulse. • The astrocytic calcium pathway strengthens, to a small extent, the dilation of the blood vessel. Also, the mathematical model by Moshkforoush et al. was incorporated. This one focuses on the inositol triphosphate (IP3)-induced Ca2+ mobilisation in the endothelial cell that accounts for all major subcellular Ca2+ compartments (i.e., cyt, ER, Mt), their respective Ca2+ channels and buffering, and considers explicitly the ER-Mt Ca2+ microdomains as a distinct Ca2+ pool (μd). Mitochondria can up-take and store significant amounts of Ca2+. Their buffering potential allows them to modulate Ca2+ mobilisation in the cytosol including oscillatory dynamics. It was postulated that the presence of the ER-Mt μd may shape the [Ca2+]cyt oscillatory dynamics. A mathematical model by Penny et al. previ-ously explored the role of the ER-lysosome μd in driving [Ca2+]cyt dynamics in stimulated fibroblasts by varying the distribution of two-pore Ca2+ channels on lysosomes. They showed that the distribution and density of the Ca2+ channels on lysosomes that face the ER-lysosome μd regulate the IP3R-de-pendent [Ca2+]cyt oscillations. A mathematical study that has explored the role of the ER-Mt μd prior to the one by Moshkforoush et al. is the model by Qi et al., where Ca2+ diffusion from a point source, a cluster of IP3Rs to the MCU, was assumed and the distance between the ER and Mt compartments was varied (MCU activity de-pended on the local [Ca2+], while JIP3R (J represents flux) was only a function of [Ca2+]cyt). In contrast, in the Moshkforoush et al. model, an explicit μd compartment with a variable volume which depended on the ER-Mt distance was incorporated. This approach allowed the separation of IP3Rs, as well as MCU, SERCA, and mNCX channels, into two distinct pools; one pool of IP3Rs facing the μd and, thus, their activity depends on [Ca2+]μd, and another pool of IP3Rs facing the cytosol and are exposed to [Ca2+]cyt. This resulted in identifying conditions where the μd and the Mt play a regu-latory role, aside from their modulatory role, in [Ca2+] oscillatory dynamics. More specifically, the incorporation of the μd and the channel connectivity coefficients for the above four channels led to the emergence of two distinct oscillatory regions at low and intermediate [IP3]. In the thesis, the focus was on the oscillatory regions at low [IP3], where the series of events that result in initiation and maintenance of [Ca2+]cyt oscillations is as follows: The [IP3] causes an increased efflux from cyt-facing IP3Rs, which brings the [Ca2+]cyt to sufficient levels for the initiation of Ca2+ bursting. High [Ca2+]μd, on the other hand, inactivates the μd-facing IP3Rs at high levels of stimulation. Thus, in this region, periodic opening of cyt-facing IP3Rs governs the oscillations of [Ca+2]cyt. Overall, the incorporation of the microdomains led to oscillations in the graphs of various molecules included in the model. | |
| dc.description.translatedabstract | Η νευροαγγειακή μονάδα αποτελείται από νευρώνες, αστροκύτταρα, αγγεία (ενδοθηλιακά κύτ-ταρα και κύτταρα τοιχώματος), το αγγειοκινητικό σύστημα (λεία μυϊκά κύτταρα και περικύτταρα) και μικρογλοία. Όλα αυτά λειτουργούν μαζί στην ομοιοστατική αιμοδυναμική απόκριση της εγκεφα-λικής υπεραιμίας, ένας ομοιοστατικός μηχανισμός του κεντρικού νευρικού συστήματος που αυξάνει την παροχή αίματος στον νευρικό ιστό όταν είναι απαραίτητο. Μια καλύτερη κατανόηση της λει-τουργικής υπεραιμίας είναι σημαντική όχι μόνο για τον τομέα της νευροεπιστήμης αλλά και για κεί-νον της ιατρικής, καθώς οι τεχνικές νευροαπεικόνισης, όπως η fMRI, η fNIRS και τα PET scans, παρα-κολουθούν τη ροή του αίματος στον εγκέφαλο και μπορούν, συνεπώς, να μετρήσουν και να εντοπί-σουν την εγκεφαλική δραστηριότητα. Πιο συγκεκριμένα, η fMRI ανιχνεύει το σήμα που εξαρτάται από τα επίπεδα οξυγόνου στο αίμα (BOLD), το οποίο αντικατοπτρίζει τις αλλαγές στην δεοξυαιμο-σφαιρίνη που προκαλούνται από μεταβολές στη ροή του αίματος και την οξυγόνωση στον εγκέφαλο. Η fNIRS είναι μια μη επεμβατική, φορητή μέθοδος που χρησιμοποιεί υπέρυθρο φως το οποίο δια-χέεται μέσω του κρανίου και του εγκεφάλου, για τη λειτουργική παρακολούθηση και απεικόνιση της αιμοδυναμικής του ανθρώπινου εγκεφάλου, ενώ η σάρωση PET χρησιμοποιεί ενέσιμο ραδιενεργό υλικό για να απεικονίσει τις ενεργές περιοχές του εγκεφάλου. Αυτή η διπλωματική αναφέρεται στην ανάπτυξη ενός μοντέλου συγκεντρωμένων παραμέτρων μιας νευροαγγειακής μονάδας (NVU). Τα κύτταρα που εμπλέκονται σε αυτό το μοντέλο είναι ένας νευρώνας, ένα αστροκύτταρο, ένα ενδοθηλιακό κύτταρο και ένα λείο μυϊκό κύτταρο. Μελετήθηκαν τα μονοπάτια που επηρεάζουν την ακτίνα ενός τριχοειδούς αγγείου στον εγκέφαλο μετά τη δημιουρ-γία ενός νευρικού παλμού. Αυτά είναι τα μονοπάτια του καλίου, του αστροκυτταρικού ασβεστίου σε συνδυασμό με ένα παροδικό κανάλι κατιόντων στον ποδίσκο του αστροκυττάρου και το μονοπάτι του μονοξειδίου του αζώτου. Δημιουργήθηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο που περιλαμβάνει τις τρεις οδούς, οι οποίες μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν με κατάλληλους διακόπτες. Πρώτα αναλύσαμε τα αποτελέσματα του μοντέλου όταν περιλαμβάνει μόνο το μονοπάτι του καλίου. Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε για κείνο του αστροκυτταρικού ασβεστίου με το κανάλι TRPV4 και τέλος, το μονοπάτι του μονοξειδίου του αζώτου. Τα αποτελέσματα των παραπάνω συγκρίθηκαν μεταξύ τους, αλλά και με το μοντέλο που περιλαμ-βάνει όλες τις αναφερόμενες οδούς. Για να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα, δημιουργήθηκαν δια-γράμματα για διάφορες μεταβλητές του συστήματος. Το γράφημα που απεικονίζει την ακτίνα του αγγείου με την πάροδο του χρόνου ήταν το πιο σημαντικό μεταξύ αυτών. Παρουσιάσαμε την από-κριση της ακτίνας του αγγείου στον νευρικό παλμό για κάθε οδό ξεχωριστά και για τις τρεις μαζί. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτή την ανάλυση ήταν τα εξής: • Το μονοπάτι του καλίου είναι υπεύθυνο για την ταχεία απόκριση του αγγείου στην νευρική δραστηριότητα. • Το μονοπάτι του μονοξειδίου του αζώτου είναι υπεύθυνο για τη μακρόχρονη διαστολή του αιμοφόρου αγγείου μετά την έναρξη του παλμού. • Το μονοπάτι του αστροκυτταρικού ασβεστίου ενισχύει, σε μικρό βαθμό, τη διαστολή του αιμοφόρου αγγείου. Επιπλέον, ενσωματώθηκε το μαθηματικό μοντέλο των Moshkforoush et al. Αυτό επικεντρώνεται στην κίνηση του Ca2+ που προκαλείται από την τριφωσφορική ινοσιτόλη (IP3) στο ενδοθηλιακό κύτ-ταρο, το οποίο λαμβάνει υπόψιν όλους τους κύριους υποκυτταρικούς χώρους Ca2+ (δηλ. cyt, ER, Mt), τα αντίστοιχα κανάλια Ca2+ και τη ρύθμισή τους, και θεωρεί τα ER-Mt μικροπεδία Ca2+ ως διακριτή δεξαμενή Ca2+ (μd). Τα μιτοχόνδρια μπορούν να αποθηκεύσουν σημαντικές ποσότητες Ca2+. Η ικα-νότητά τους να ρυθμίζουν επιτρέπει τον έλεγχο της κίνησης του Ca2+ στο κυτόπλασμα, συμπεριλαμ-βανομένης της δυναμικής των ταλαντώσεων. Έγινε η υπόθεση ότι η παρουσία του ER-Mt μd μπορεί να διαμορφώσει τη δυναμική των ταλαντώσεων του [Ca2+]cyt. Ένα μαθηματικό μοντέλο των Penny et al. εξερεύνησε προηγουμένως τον ρόλο του μd ER-λυσοσώματος στη δυναμική των [Ca2+]cyt σε διε-γερμένους ινοβλάστες μεταβάλλοντας την κατανομή των καναλιών Ca2+ δύο πόρων στα λυσοσώ-ματα. Έδειξαν ότι η κατανομή και η πυκνότητα των καναλιών Ca2+ στα λυσοσώματα που βρίσκονται κοντά στο μd ER-λυσοσώματος ρυθμίζουν τις ταλαντώσεις [Ca2+]cyt εξαρτώμενες από το IP3R. Μια μαθηματική μελέτη που διερεύνησε τον ρόλο του ER-Mt μd πριν από την εργασία των Moshkforoush et al. είναι το μοντέλο των Qi et al., όπου υποτέθηκε η διάχυση του Ca2+ από μια σημειακή πηγή, συσσωρευμένα IP3R προς το MCU, και ότι η απόσταση μεταξύ των διαμερισμάτων ER και Mt ποικίλλει (η δραστηριότητα του MCU εξαρτάται από την τοπική [Ca2+], ενώ το JIP3R (το J αντιστοιχεί σε ροή) είναι μόνο μια συνάρτηση του [Ca2+]cyt). Αντίθετα, στο μοντέλο των Moshkforoush et al., ενσωματώθηκε ένα διαμέρισμα μd με μεταβλητό όγκο που εξαρτάται από την απόσταση ER-Mt. Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε το διαχωρισμό των IP3R, καθώς και των καναλιών MCU, SERCA και mNCX, σε δύο διακριτές δεξαμενές: μια δεξαμενή IP3R στραμμένη προς το μd και, επομένως, η δραστηριότητά τους εξαρτάται από [Ca2+]μd, και μια άλλη δεξαμενή IP3R που εκτίθεται στο κυτόπλασμα και άρα στο [Ca2+]cyt. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την αναγνώριση συνθηκών όπου το microdomain και τα μιτοχόνδρια διαδραματίζουν ρυθμιστικό ρόλο, εκτός από τον διαμορφωτικό τους ρόλο, στη δυναμική των ταλαντώσεων [Ca2+]. Πιο συγκεκριμένα, η ενσωμάτωση του μd και οι συντελεστές σύνδεσης των καναλιών για τα τέσσερα προαναφερθέντα κανάλια οδήγησαν στην εμφάνιση δύο διακριτών περιοχών ταλαντώσεων σε χαμηλά και ενδιάμεσα επίπεδα [IP3]. Στη διπλωματική, εστιάσαμε στις περιοχές ταλαντώσεων σε χαμηλά επίπεδα [IP3], όπου η σειρά των γεγονότων που οδηγούν στην έναρξη και διατήρηση των ταλαντώσεων [Ca2+]cyt είναι η εξής: Η [IP3] προκαλεί αυξημένη εκροή από τα IP3R που είναι στραμμένα προς το κυτόπλασμα, το οποίο φέρνει τη [Ca2+]cyt σε επαρκή επίπεδα για την έναρξη των εκρήξεων Ca2+. Υψηλά επίπεδα [Ca2+]μd, από την άλλη, απενεργοποιούν τα IP3R που είναι στραμμένα προς το μd σε υψηλά επίπεδα διέγερ-σης. Έτσι, σε αυτή την περιοχή, το περιοδικό άνοιγμα των IP3R που είναι στραμμένα προς το κυτό-πλασμα καθορίζει τις ταλαντώσεις [Ca2+]cyt. Συνολικά, η ενσωμάτωση των microdomains οδήγησε σε ταλαντώσεις στις γραφικές διαφόρων μορίων που περιλαμβάνονται στο μοντέλο. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/27598 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | CC0 1.0 Universal | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ | |
| dc.subject | Neurovascular coupling | |
| dc.subject | Fortran 90 | |
| dc.subject | Anatomy | |
| dc.subject | Nervous system | |
| dc.subject | Cerebral blood flow | |
| dc.subject.alternative | Νευροαγγειακή σύζευξη | |
| dc.subject.alternative | Ανατομία | |
| dc.subject.alternative | Νευρικό σύστημα | |
| dc.subject.alternative | Εγκεφαλική ροή αίματος | |
| dc.title | A model of neurovascular coupling : the neurovascular unit and the effect of the endothelial cells’ mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes | |
| dc.title.alternative | Ένα μοντέλο νευροαγγειακής σύζευξης |