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Luigi ROVATI
Professore Ordinario
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Segnali biologici
Bioingegneria per l'innovazione in medicina (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Gli studenti verranno esposti ad una selezione di argomenti elementari di genesi dei segnali elettrici del tessuto nervoso, dei segnali biochimici e molecolari di cellule eccitabili e non eccitabili, e della misura di tali segnali per mezzo di dispositivi artificiali. Gli studenti comprenderanno le motivazioni alla base di una dissezione meccanicistica del funzionamento del sistema nervoso dei mammiferi al livello cellulare, di microcircuito e di popolazione. Gli studenti acquisiranno infine competenze in questo ambito e saranno in grado di applicare le loro conoscenze per cogliere una componente quantitativa approfondita nelle pubblicazioni scientifiche all'avanguardia.
Gli studenti inizieranno a formulare giudizi e valutazioni quantitative nell'ambito dell'Elettrofisiologia e della Biofisica Cellulare, analizzando come progressi significativi possano essere fatti in questi ambiti e dove la disponibilità di solidi strumenti teorici si è rivelata estremamente fruttuosa. Gli studenti diventeranno fluenti in questa progressione e abilità.
Agli studenti verrà presentato uno stile quantitativo della biofisica dei sistemi neurali, quale un'opportunità per espandere le proprie capacità di apprendimento oltre la "enumerazione" in biologia e verso un nuovo approccio di "sintesi" e di "analisi".
Prerequisiti
cenni di biologia cellulare fondamentale, elementi di calcolo infinitesimale, fondamenti di elettromagnetismo, padronanza nell'uso di un PC, di Internet, elementi di programmazione scientifica.
Programma del corso
a. Segnali elettrofisiologici: generazione e caratterizzazione (6CFU)
Portatori di carica nei (semi)conduttori e nelle soluzioni elettrochimiche - Giunzione cloruro d'argento: formula, modello elettrico equivalente, utilizzo - Neurobiologia elementare: eccitabilità cellulare e doppio strato di membrana. Doppio strato lipidico: organizzazione, elemento del circuito elettrico equivalente, definizione di capacità. Permeabilità delle membrane ioniche, elemento del circuito elettrico equivalente, definizione di resistenza. Definizioni e conversioni tra densità e concentrazioni. Gradienti ionici attraverso una membrana biologica. Mobilità di una particella in un mezzo acquoso, sotto un campo di forze esterno. Definizione di flusso unidimensionale, sotto un campo di forze. Campo di forze di diffusione e legge di diffusione di Fick. Conservazione della massa: Equazione unidimensionale della (elettro)diffusione. Campo di forze di deriva, sotto gradiente di potenziale elettrico esterno. Compartimenti, membrana permeabile, specie ionica singola, equilibrio: equazione di Nernst, elemento elettrico equivalente del circuito. Compartimenti, membrana permeabile, specie ionica singola, non equilibrio: approssimazione ohmica. Compartimenti, membrana permeabile, specie ionica singola, non equilibrio: equazione di Goldman e approssimazione non ohmica. Compartimenti, membrana permeabile, diverse specie ioniche, non equilibrio: esistenza di un potenziale di membrana, equazione di Goldman-Hodgkin-Katz. Il modello Hodgkin-Huxley e fenomenologia del Potenziale d'Azione. Equazioni complete del modello e loro comprensione intuitiva. Ioni scambiati durante un Potenziale d'Azione (AP). Canali ionici: modello gate, reazioni chimiche, legge dell'azione di massa e schemi cinetici (Markov). Inattivazione rapida canale del sodio e relativo modello di gate. Canale del potassio con raddrizzatore ritardato e relativo modello di gate. Segnali intracellulari e extracellulari. Local Field Potential e segnali EEG. Analisi elementare di segnali intracellulari e extracellulari. Spike sorting. Analisi elementare di treni di spike. Cenni di teoria dell'informazione.
b. Segnali biochimici: generazione e caratterizzazione (3CFU)
Comunicazione intercellulare chimica.
Differenti tipologie di comunicazione intercellulare, Neurotrasmettitori, Differenti categorie di neurotrasmettitori: neurotrasmettitori classici, monoamine, neuropeptidi, Recettori dei neurotrasmettitori, Cenni di anatomia e funzione dei sistemi neuronali a neurotrasmettitore noto, Ormoni, Endocrinologia generale, Neuroendocrinologia, Principali ormoni periferici
c. Misure di segnali biologici: Strumenti e metodi di misurazione (6 CFU)
Il Modulo si compone di circa 4.5 CFU di lezioni frontali finalizzate allo sviluppo di conoscenze e competenze, mentre circa 1.5 CFU sono destinati all'applicazione pratica delle conoscenze acquisite in contesti reali, con attività laboratoriali programmate per quest'ultima parte.
Le lezioni frontali comprendono:
Tipologia di segnali elettrici di interesse biomedico, Modelli elettrici descrittivi della generazione dei segnali, Elettronica analogica di lettura, Metodi e tecnologie per l'estrazione delle informazioni di interesse.
Metodi didattici
L'attività didattica consiste in lezioni frontali in cui vengono introdotti aspetti teorici ed esempi applicativi. Inoltre, durante il corso vengono discussi in dettaglio esercizi e simulazioni numeriche al calcolatore di sistemi neurobiologici.
Verifica dell'apprendimento
La valutazione si basa su una combinazione ponderata di soluzioni scritte di semplici casi di analisi di rete e risposte fornite a un gruppo di domande in una forma a scelta multipla. Un'eventuale discussione orale potrà essere invocata dagli studenti.
Risultati attesi
Conoscenza e comprensione:
Attraverso lezioni frontali, esercitazioni e discussioni collegiali lo studente apprende i concetti di base di genesi di segnali elettrici di cellule nervose, e coglie la capacità di comprendere la letteratura specifica sulla biofisica delle membrane eccitabili e sulla neurofisiologia cellulare e di popolazione.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Attraverso le esercitazioni pratiche al calcolatore, svolte personalmente o in gruppo, lo studente è in grado di applicare le conoscenze acquisite all'analisi di segnali biologici o sintetici.
Capacità di apprendimento:
Le attività descritte consentono agli studenti di acquisire le competenze metodologiche per proseguire gli studi e di poter fornire un proprio aggiornamento.