Differential diagnosis of neurodegenerative dementias with the explainable MRI based machine learning algorithm MUQUBIA

Biomarker-based differential diagnosis of the most common forms of dementia is becoming increasingly important. Machine learning (ML) may be able to address this challenge. The aim of this study was to develop and interpret a ML algorithm capable of differentiating Alzheimer's dementia, frontotemporal dementia, dementia with Lewy bodies and cognitively normal control subjects based on sociodemographic, clinical, and magnetic resonance imaging (MRI) variables. 506 subjects from 5 databases were included. MRI images were processed with FreeSurfer, LPA, and TRACULA to obtain brain volumes and thicknesses, white matter lesions and diffusion metrics. MRI metrics were used in conjunction with clinical and demographic data to perform differential diagnosis based on a Support Vector Machine model called MUQUBIA (Multimodal Quantification of Brain whIte matter biomArkers). Age, gender, Clinical Dementia Rating (CDR) Dementia Staging Instrument, and 19 imaging features formed the best set of discriminative features. The predictive model performed with an overall Area Under the Curve of 98%, high overall precision (88%), recall (88%), and F1 scores (88%) in the test group, and good Label Ranking Average Precision score (0.95) in a subset of neuropathologically assessed patients. The results of MUQUBIA were explained by the SHapley Additive exPlanations (SHAP) method. The MUQUBIA algorithm successfully classified various dementias with good performance using cost-effective clinical and MRI information, and with independent validation, has the potential to assist physicians in their clinical diagnosis

Effetti di una particolare forma di riflesso trigemino-cardiaco sul microcircolo piale in ratti ipertesi: aspetti emodinamici e molecolari

Studi precedenti, condotti sia su volontari normotesi sia sul modello animale di ratto, hanno dimostrato che una particolare stimolazione del nervo trigemino (estensione mandibolare, EM) può essere classificata come forma di riflesso trigemino-cardiaco. Per EM si intende un’apertura sub-massimale della bocca ottenuta con un dispositivo a molla, in acciaio, forgiato a forma di U posto tra gli incisivi inferiori e superiori. Dati ottenuti nel ratto hanno dimostrato che due EM della durata di 10 minuti, ripetute a distanza di 10 minuti l’una dall’altra, inducono prolungati effetti ipotensivi, bradicardici ed effetti emodinamici sul microcircolo piale, sia nell’area parietale (dove proiettano le afferenze trigeminali) sia nell’area frontale, presa in esame come esempio di area cerebrale non direttamente coinvolta nell’elaborazione degli stimoli trigeminali. Tali effetti pongono EM come possibile procedura da applicarsi nel controllo degli stati di alterazione della pressione, tra cui l’ipertensione che può presentare forme che non rispondono al trattamento farmacologico. Fino ad oggi gli studi sono stati condotti su ratti anestetizzati normotesi o resi sperimentalmente ipertesi. In particolare, a livello cerebrale, è stata osservata una risposta bifasica: durante la prima estensione mandibolare (EM1), si aveva vasocostrizione seguita immediatamente da una vasodilatazione che in alcuni casi veniva incrementata dalla seconda EM (EM2), oltre ad essere prolungata nel tempo. Fa eccezione l’area frontale dei ratti resi sperimentalmente ipertesi dove non si è osservata vasocostrizione. Nella presente tesi sono stati valutati gli effetti emodinamici di due EM ripetute in ratti maschi spontaneamente ipertesi (Spontaneously Hypertensive Rat, SHR), adulti di 4-5 mesi ed anziani di 8-9 mesi allo scopo di evidenziare differenze negli effetti indotti da EM a diverse età e cioè a diversi livelli di compromissione emodinamica indotti dallo stato ipertensivo. Sono state valutate le variazioni dei diametri delle arteriole di ordine 2, della pressione arteriosa media (PAM) e della frequenza cardiaca (FC). I ratti utilizzati sono stati anestetizzati con somministrazione intraperitoneale di α-cloralosio (50 mg/Kg di peso corporeo, in 0,4 ml di soluzione fisiologica) e mantenuti anestetizzati per tutta la durata dell’esperimento con α-cloralosio somministrato in vena al dosaggio di 20 mg/Kg di peso corporeo, in 0,2 ml di soluzione fisiologica. I ratti sono stati sottoposti a cateterizzazione dell’arteria e della vena femorale. Il catetere in arteria era collegato ad un trasduttore a sua volta connesso ad un sistema computerizzato per la misurazione in continuo di PAM. FC è stata derivata dal tracciato ECG registrato in continuo dalle tre derivazioni di Einthoven. Il catetere posto in vena femorale è stato utilizzato per la somministrazione dell’anestetico di mantenimento e del tracciante fluorescente per la visualizzazione delle arteriole. Quest’ultima è stata effettuata mediante una tecnica di microscopia in fluorescenza associata ad un sistema computerizzato che consente la visualizzazione in vivo del microcircolo piale e la misura off-line delle variazioni dei diametri delle arteriole. Il protocollo di EM utilizzato consisteva di un periodo di osservazione basale di 30 minuti (baseline) seguito da due EM ravvicinate a distanza di 10 minuti l’una dall’altra, quindi gli animali venivano mantenuti in osservazione per 240 minuti (periodo post-EM2). Poiché non esisteva, per prima cosa è stata effettuata la mappatura del microcircolo cerebrale sia dell’area parietale sia di quella frontale dei ratti presi in esame. I risultati ottenuti mostrano che la rarefazione arteriolare è ancora più marcata nei ratti SHR rispetto a quella osservata nei ratti resi sperimentalmente ipertesi ed è inoltre presente una marcata asimmetria di biforcazione nel network arteriolare. Per quanto riguarda gli effetti indotti da EM, le arteriole non hanno mostrato vasocostrizione né a livello parietale né a livello frontale, sia nel caso dei ratti adulti sia di quelli anziani. Nel caso dei ratti adulti, in entrambe le aree cerebrali la vasodilatazione si presentava già durante EM1 e diventava significativa rispetto alla baseline a partire da EM2 per protrarsi per l’intero periodo di osservazione. Nei ratti anziani la situazione era simile agli adulti a livello dell’area frontale, mentre la vasodilatazione si presentava più tardivamente (periodo post-EM2) nell’area parietale. In concomitanza alla vasodilatazione si è osservata una notevole risposta ipotensiva e bradicardica, ad eccezione dei ratti adulti che non hanno mostrato una riduzione significativa di FC. Sono state analizzate, inoltre, le ritmiche oscillazioni del diametro delle arteriole di ordine 2 per mezzo dell’analisi spettrale, su acquisizioni di 30 minuti nel periodo di osservazione basale ed a circa metà del periodo post-EM2. Si è osservato che nei ratti adulti, a livello dell’area parietale, EM induceva una riattivazione delle componenti relative all’attività endoteliale, sia NO-indipendente sia NO-dipendente. A livello dell’area frontale, EM induceva una riattivazione della componente legata all’attività endoteliale NO-dipendente e di quella miogenica. È stata eseguita l’analisi spettrale delle sei componenti che caratterizzano le variazioni del diametro arteriolare anche su un ratto SHR anziano. In questo caso, a livello parietale è emerso che EM portava alla riattivazione delle tre componenti a bassa frequenza relative all’attività endoteliale e all’attività neurogenica, mentre a livello frontale ad essere riattivate erano le quattro componenti a minor frequenza: quelle legate all’attività endoteliale, quella legata all’attività neurogenica e quella relativa all’attività miogenica. Come controllo sono stati utilizzati ratti SHR che avevano subito solo le procedure chirurgiche (Sham Operated, SO) e sono stati tenuti sotto osservazione per 300 minuti, periodo corrispondente all’intera durata dell’esperimento di EM ripetuta. I ratti SO non hanno mostrato alcuna variazione dei parametri presi in esame. I dati ottenuti mostrano come EM determini effetti simili sul microcircolo cerebrale anche in aree non direttamente coinvolte nell’elaborazione degli stimoli trigeminali. Questo suggerisce che tali effetti siano indotti da una modulazione da parte di EM dei meccanismi sistemici di controllo della pressione arteriosa. Per iniziare ad approfondire questo aspetto, è stata condotta un’indagine biologico-molecolare su campioni di tessuto cerebrale dell’area parietale e di quella frontale prelevati dai ratti adulti SHR da cui sono derivati i risultati emodinamici prodotti da EM e sui ratti adulti SHR SO, allo scopo di valutare l’espressione genica ed i livelli proteici di alcuni geni e proteine coinvolti nel sistema di regolazione della pressione renina-angiotensina (RAS). L’analisi di espressione genica è stata eseguita sui geni codificanti per i recettori dell’angiotensina II (Ang II) AT1R e AT2R e per l’enzima ACE (enzima convertitore dell’angiotensina), coinvolti in risposte adattative che inducono innalzamento della pressione, e per il recettore di angiotensina (1-7) (Ang (1-7)) MAS1 e per l’enzima ACE2, che invece sembrano avere un ruolo protettivo nei confronti di stati di alterazione pressoria. I dati raccolti non mostrano differenze significative nei livelli di espressione dei geni codificanti per AT1R ed AT2R tra i ratti sottoposti a due EM ravvicinate ed i ratti SO, sia a livello della corteccia parietale sia di quella frontale. A livello parietale invece si è osservato un incremento significativo dell’espressione del gene codificante per ACE e un decremento significativo dell’espressione del gene per MAS1 nei ratti sottoposti ad EM rispetto ai ratti SO, mentre, a livello frontale, l’espressione dei geni per MAS1 ed ACE2 era significativamente incrementata e l’espressione del gene per ACE non era variata nei ratti sottoposti a due EM ravvicinate rispetto ai ratti SO. Infine, è stata condotta l’analisi dei livelli proteici di MAS1, la cui espressione genica era risultata modulata da EM sia a livello dell’area parietale sia di quella frontale, del recettore AT1R che funzionalmente si contrappone a MAS1, e di AT2R che, pur legandosi all’Ang II, ha un comprovato effetto vasorilassante. Dai dati è emerso che nell’area parietale non vi erano variazioni significative nei livelli proteici di AT1R e AT2R tra i ratti sottoposti a due EM ravvicinate ed i ratti SO, mentre è stato osservato un decremento significativo nei livelli proteici di MAS1. Nell’area frontale, i livelli proteici di tutti e tre i recettori nei ratti sottoposti a due EM ravvicinate hanno subito un decremento rispetto ai ratti SO, significativo nel caso di AT1R e AT2R. I dati raccolti nel loro insieme suggeriscono che ripetute EM sono in grado di attivare anche in condizioni di ipertensione specifici meccanismi di regolazione dell’emodinamica, che si riflette anche a livello cerebrale migliorando la perfusione. Queste osservazioni sperimentali possono quindi rappresentare un punto di partenza per l’elaborazione di protocolli da attuare nel trattamento clinico

Renin-angiotensin system responds to prolonged hypotensive effect induced by mandibular extension in spontaneously hypertensive rats

There is an ongoing interest in the renin-angiotensin system (RAS) contribution either to pathological mechanisms leading to hypertension (mainly regarding the ACE/AngII/AT1R axis), or, to RAS protective and pro-regenerative actions, primarily ascribed to the mediation of the AT2R and the MAS1 receptor. In the present study, we evaluated the modulation of gene expression and protein levels of “deleterious” (ACE/AngII/AT1R) and “protective” [ACE/AngII/AT2R and ACE2/Ang(1-7)/MAS1 arms] RAS components in parietal and frontal areas of cerebral cortex of spontaneously hypertensive rats (SHRs), after two periods of mandibular extensions (MEs). Blood pressure, BP and heart rate, HR were also measured. While no significant changes in BP and HR were present in the sham operated (SO) group, in rats after two MEs (2-ME rats), BP displayed a marked decrease (p < 0.001) at ME2, and remained then stably low for the subsequent observation period. In gene expression analysis, in SHRs undergoing two MEs, either in parietal or frontal cortex, we did not observe any significant variation of AT2R and ACE2 with respect to SO rats. In contrast, we observed a decrease in Mas1 gene expression in parietal area (p < 0.01) and an increase in frontal region (p < 0.01). AT1R and ACE gene expression was significantly higher in 2-ME rats than SO in parietal cortex (p < 0.05) but no difference was observed in the frontal area. Concerning protein levels, in parietal area, AT1R and AT2R did not change whereas MAS1 significantly decreased in 2-ME rats (p < 0.05). In frontal area, both AT1R and AT2R significantly decreased in 2-ME rats (p < 0.05), whereas MAS1 did not significantly change. Gene expression analysis in normotensive (NT) rats revealed the non-detectability of AT1R in both parietal and frontal zone. In parietal area, AT2R (p < 0.0001) and Mas1 (p < 0.01) were significantly decreased in 2-ME NT rats, when compared to SO, and ACE and ACE2 resulted not detectable whereas there was some expression of these genes after 2-ME procedure. In conclusion, our data in rat models indicated that a 2-ME procedure induced a hypotensive response and that a modulation of gene expression and protein levels of RAS components occurred in different cerebral cortex areas

Thyroid hormone deiodinases response in brain of spontaneausly hypertensive rats after hypotensive effects induced by mandibular extension

PURPOSE: The deiodinases activate or inactivate the thyroid hormones (TH) in virtually all tissues in both physiological and pathological conditions. The three deiodinases, DIO1, DIO2, and DIO3, have different catalytic functions and regulate TH tissue distribution. The aim of the present study was to evaluate the modulation of gene expression of the deiodinases and TH transporters and protein levels of DIO1 in parietal and frontal areas of cerebral cortex of spontaneously hypertensive rats (SHRs), after two successive mandibular extensions (ME).METHODS: ME was performed on anesthetized rats by a dilatator appropriately designed and real-time PCR and western blotting techniques were employed for gene expression and protein level study.RESULTS: Mean blood pressure (MBP) significantly decreased in 2ME-treated rats when compared to sham-operated rats (p&lt;0.001) and this decrease lasted for the entire observation period. In gene expression analysis, in 2ME-treated rats we did not observe any significant variation of DIO1 and DIO3 with respect to the sham-operated rats. Differently, DIO2 gene expression significantly increased in frontal area of 2ME-treated rats, with respect to sham-operated rats (p&lt;0.01). Furthermore, in parietal area, protein levels of DIO1 in 2ME-treated rats were significantly higher than in sham-operated rats (p&lt;0.01). Moreover MCT8 and OATP1C1 both resulted significantly higher (p&lt;0.05 and p&lt;0.001) in sham frontal cortex.CONCLUSION: In summary, our data on SHRs, while confirming the hypotensive effect of two MEs, show that the treatment also solicits the three deiodinases production in the cerebral cortex

Synthesis of Novel N1-Substituted Bicyclic Pyrazole Amino Acids and Evaluation of Their Interaction with Glutamate Receptors

N1-Substituted bicyclic pyrazole amino acids (S)-9a-9c and (R)-9a-9c, which are conformationally constrained analogues of glutamic acid, were prepared via a strategy based on a 1,3-dipolar cycloaddition. The new amino acids were tested for activity at ionotropic and metabotropic glutamate receptors. Some of them turned out to be selective for the NMDA receptors, where they behaved as weak antagonists. The biological activity is mainly due to the interaction with the glutamate binding site, and not with the glycine co-agonist site