Neuroinforma+ca Luigi Barberini

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1 Neuroinforma+ca Luigi Barberini

2 Elemen+ di base del CdS Anatomia- Neurologia- Biologia- Psicologia I da+ fisiologici e funzionali del SNC e SNP sono raccol+ mediante le moderne tecniche di Imaging; le principali tecniche di interesse per il corso sono: Segnali EEG- MEG Segnali MRI- fmri- fcmri MRS Analisi di immagini di immunoistochimica

3 SoQwares di lavoro Il corso è incentrato auorno all ambiente di programmazione Matlab ed al programma di analisi delle immagini ImageJ Matlab+EEGLAB Matlab+SPM ImageJ

4 Le serie temporali, ovvero segnali che cambiano nel tempo, nelle neuroscienze Studio delle serie temporali dei segnali EEG Studio delle serie temporali dei segnali fmri Decomposizione dei segnali per l analisi FFT Wavelet Spectrograms Il segnale Immagine

5 Analisi ROI (region of interest) in MRI. Il segnale Immagine. Anatomia morfologica- funzionale del cervello Localizzazione MNI Talairach atlases

6 Studio delle immagini di Histological appearances. A, B; histological appearances of normal brain parenchyma (hematoxylin and eosin (H&E), A: 100, B: 400). C, D; edema in brain parenchyma, pyknogc changes (green arrow), nuclear hyperchromasia, and cytoplasmic eosinophilia (red arrow) in neurons are observed (H&E, C: 100; D: 1000, oil immersion). E, F; axonal edema and moderate reacgve and degeneragve changes in neuronal structures are seen (H&E, E: 100; F: 400). Kalayci et al. BMC Neuroscience :75 doi: / immunoistochimica

7 Dal Programma di Psicobiologia (Prof.ssa Penna) Fornire conoscenze sul meccanismo d azione dei principali farmaci acvi sulla funzione dei neuroni che regolano il tono dell umore, le emozioni, i processi di apprendimento, memoria, piacere e dolore. I farmaci vengono propos+ quale mezzo per svelare i meccanismi neurochimici alla base delle suddeue funzioni e delle patologie ad esse correlate. Vengono illustrate le modificazioni funzionali associate a numerose patologie del Sistema Nervoso Centrale (Ansia- Depressione, Psicosi, Morbo di Parkinson, Morbo di Alzheimer etc.) e i modelli sperimentali di queste patologie. Lo studente deve possedere solide conoscenze di neuroanatomia, neurochimica, biologia molecolare, fisiologia, gene+ca e neurogenomica. Programma Introduzione alla Psicobiologia. Cenni di psicopatologia e principali malaca psichiatriche Tecniche di visualizzazione cerebrale e sue applicazioni nel campo delle malace psichiatriche EleUrofisiologia e sonno Memoria e apprendimento Stress Emozioni AUenzione, pianificazione, decision making

8 il sogno Se fosse possibile vedere aoraverso la scatola cranica e se la zona maggiormente eccitata fosse luminosa, si potrebbe seguire, in un uomo intento a pensare, lo spostamento incessante di questo punto luminoso, in un congnuo cambiamento di forma e dimensione, e circondato da una zona d ombra più o meno fioa che occuperebbe tuoo il resto degli emisferi. Ivan Pavlov, 1927 Premio Nobel nel 1904 L'impaUo della ricerca di Pavlov La scoperta del riflesso condizionato resta una delle più importan+ nella storia della psicologia: lo è per numerosi mo+vi, non ul+mi i cambiamen+ comportamentali e i trauamen+ di salute mentale. Il condizionamento 'classico' è impiegato per trauare fobie, ansia e disturbi da panico.

9 IMMAGINI FUNZIONALI DEL CERVELLO UMANO Il rapido susseguirsi di scoperte scien+fiche, soprauuuo in campo fisico, verificatosi nella prima metà del 1900, ha portato allo sviluppo di nuove e sempre più raffinate tecniche di misura e di imaging dei parametri fisiologici cerebrali. Negli ul+mi trent anni le tecniche di imaging cerebrale, anatomico e funzionale, hanno permesso di sperimentare, confermare o smen+re an+che e recen+ teorie riguardan+ la fisiologia dei meccanismi di acvazione cerebrale. Nuove ipotesi sono emerse da tali indagini e nuovi problemi sono sor+ per integrare ed unificare frammen+ informa+vi differen+. L integrazione delle conoscenze acquisite e, di conseguenza, delle diverse tecniche di imaging rappresenta oggi un finalità primaria nell ambito delle neuroscienze.

10 Diverse sono le tecniche che oggi contribuiscono auraverso il neuroimaging mul+modale integrato alla realizzazione di modelli funzionali dei processi cogni+. L eleuroencefalografia (EEG) ed i potenziali evento- correla+ (ERPs) anche se non sono generalmente considera+ come tecniche di imaging, rappresentano in realtà l unico metodo (insieme con la MEG) che permeue di osservare in tempo reale i processi di elaborazione neuronale.a questa tecnica di monitoraggio dell acvità neuronale si associa la risonanza magne+ca funzionale f- MRI. Le immagini cerebrali prodoue dalla risonanza magne+ca funzionale (fmri) rifleuono i cambiamen+ dell ossigenazione del sangue indoc da s+moli sensoriali, motori e cogni+vi e sono dunque uno strumento di discriminazione altamente specifico se si scelgono opportunamente i compi+ per l acvazione, anche se c e da dire che il segnale ha un ritardo fisiologico rispeuo all innesco di alcuni secondi.

11 L u+lizzo delle tecniche che permeuono di monitorare l acvità cerebrale ha aperto nuovi orizzon+ per le neuroscienze. Ogni singola tecnica fornisce informazioni rela+ve a parametri primari quali le variazioni dei campi eleurici e magne+ci generate dall acvità neuronale, o deriva+ come il flusso ema+co, il volume ema+co, lo stato di ossigenazione dell emoglobina o le variazioni del contenuto di glucosio. Tali informazioni rappresentano importan+ frammen+ del complesso quadro che descrive i meccanismi fisiologici che souendono all acvità cerebrale e descrivono adeguatamente alcuni aspec dei processi fisiologici lega+ all acvazione cerebrale.

12 Da quando sono disponibili le tecniche di esame strumentale per immagini del sistema nervoso centrale si sono succedu+ una serie di studi sulla possibilità di diagnosi di patologie degenera+ve che sia sempre più precoce e affidabile. Uno degli ul+mi è quello di Wolf del 2003 che fa il punto della situazione considerando Risonanza Magne+ca Volumetrica, Tomografia a Emissione di Positroni e ad Emissione di Singolo Fotone (MRI, PET, SPECT), che forniscono risulta+ nei pazien+ con MCI quali una riduzione significa+va dello spessore della corteccia entorinale e dell ippocampo, non però sufficientemente costan+ per poter essere fauori predicvi in ogni singolo caso.