Parkinsonism and dystonia are movement disorders linked with abnormal function of the basal ganglia. The most common cause of parkinsonism, Parkinson’s disease (PD), is caused by loss of dopaminergic neurons in the nigrostriatal tract, leading to dopamine depletion in the striatum. The pathophysiology in dystonia is largely unknown, although a major role of the basal ganglia has been suspected. Both syndromes can be treated with deep brain stimulation (DBS) in specific targets in the basal ganglia. The aim of this thesis was to study the function of the basal ganglia in parkinsonism and dystonia using single-photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET).
The work in this thesis was broadly divided into two sets of experiments. The basal ganglia function of patients with PD, non-degenerative parkinsonism and healthy controls were evaluated using dopamine transporter (DAT) imaging. In the other experiment, basal ganglia function in dystonia was investigated in patients with cervical dystonia undergoing globus pallidus interna (GPi) DBS using 18F-fluoro-deoxyglucose-positron emission tomography (FDG-PET).
The results of this thesis showed that DAT binding does not predict the number of preserved neurons in the striatum in PD. Moreover, patients with a non-degenerative condition seemed to have higher DAT binding compared to healthy controls. Bupropion, even with a recommended wash-out time, caused clearly abnormal DAT binding in a patient without a neurodegenerative disorder affecting the dopamine system. In cervical dystonia, GPi-DBS increased glucose metabolism at the stimulation site and in other basal ganglia structures as well as in the primary sensorimotor cortex. Metabolic changes in the cortical regions, including the primary sensorimotor cortex and the supplementary motor area (SMA), correlated with acute and long-term therapeutic benefits, respectively. The symptoms returned gradually to the preoperative level after cessation of treatment.
The results of this thesis indicate that DAT imaging reflects dopamine function of the striatum rather than neuron count. Moreover, DAT binding is affected by several factors that should be controlled for in both clinical work and in research settings. The findings also suggest that dystonia involves brain regions outside the basal ganglia, which may play a critical role in motor symptoms of dystonia and contribute to slow neuroplastic changes associated with DBS.Tyvitumakkeiden toiminta parkinsonismissa ja dystoniassa
Parkinsonismi ja dystonia ovat neurologisia liikehäiriösairauksia, jotka yhdistetään tyvitumakkeiden eli aivojen liikehäiriökeskuksen toimintahäiriöihin. Yleisimmässä parkinsonismissa, Parkinsonin taudissa, aivojen striatumin ja mustatumakkeen dopamiinisolut tuhoutuvat. Dystonian etiologia on sen sijaan edelleen epäselvä, mutta sen on epäilty johtuvan tyvitumakkeiden poikkeavasta toiminnasta. Molempien sairauksien vaikeita muotoja voidaan hoitaa tyvitumakealueelle kohdennettavalla syväaivostimulaattorilla. Tässä tutkimuksessa tyvitumakkeiden toimintaa tutkittiin isotooppikuvantamisella parkinsonismissa ja dystoniassa.
Väitöskirjassa tutkittiin Parkinsonin tautia sairastavia henkilöitä, oireisia ja dopamiinitoiminnaltaan terveitä henkilöitä sekä terveitä ja oireettomia henkilöitä dopamiinitransportterikuvantamisella. Lisäksi syväaivostimulaatiohoitoa saavia dystoniapotilaita tutkittiin aivojen sokeriaineenvaihduntaa kuvaavalla PET-tutkimuksella.
Tulokset osoittivat, että aivojen dopamiinitransportterisitoutuminen ei ennusta säilyneiden hermosolujen määrää. Sitoutumisarvot saattavat myös olla korkeampia dopamiinitoiminnallaan terveillä, mutta oireisilla potilailla kuin terveillä ja oireettomilla henkilöillä. Lisäksi bupropion saattaa aiheuttaa virheellisiä tuloksia dopamiinikuvantamiseen. Syväaivostimulaattori lisää dystoniapotilalla aivojen sokeriaineenvaihduntaa stimulaatiokohdassa ja lisäksi viereisissä rakenteissa tyvitumakealueella sekä aivokuorella tunto- ja liikeaivokuorella. Oirekuvan nopea korjaantuminen korreloi aineenvaihdunnan lisääntymiseen tunto- ja liikeaivokuorella ja pitkäaikainen hoitovaste lisääntymiseen suplementaarisella motorisella aivokuorella. Oirekuvan hitaampaa palautumista kahden vuorokauden hoitotauon aikana ennusti nuori ikä.
Tulokset osoittavat, että tyvitumakkeiden dopamiinikuvantamisessa tulosten tulkinta kliinisessä työssä ja tutkimuksessa ei ole johtopäätösten kannalta yksiselitteistä ja tulee tehdä mahdolliset virhelähteet huomioiden. Dystoniassa myös tyvitumakkeen ulkopuoliset aivoalueet saattavat olla tärkeitä oirekuvan synnyssä sekä hoitovasteen kehittymisessä syväaivostimulaatiohoidossa
