INTEGRATIVE NEUROPHYSIOLOGY

L’insegnamento è una delle attività formative del curriculum di Physics of the Brain del Corso di Laurea Magistrale in Engineering Physics e consente allo studente di acquisire la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali e applicativi della neurofisiologia.

L'obiettivo dell’insegnamento è fornire conoscenze della fisica della materia condensata moderna, in particolare nello studio delle approssimazioni e dei modelli, negli ordini e dinamiche collettive e nelle proprietà emergenti. Si studieranno i modelli di interazione tra diversi sottosistemi, e l’interazione luce materia nei solidi. Infine, si studieranno i materiali di Dirac e i sistemi topologici.

Alla fine del corso, lo studente sarà in grado di descrivere e calcolare i modelli della fisica della materia più importanti, e le moderne tecniche sperimentali per investigare i materiali solidi.

Il corso fornirà agli studenti le seguenti competenze:
1) Conoscenza dei principi fondamentali alla base della capacità di integrazione neuronale a più livelli del sistema nervoso centrale. Questi comprenderanno i processi integrativi a livello della singola cellula (proprietà membrane eccitabili), a livello delle sinapsi e delle reti neuronali, includendo approcci in vivo per studiare l'attività complessa del cervello.
2) Basi teoriche per comprendere le modalità di acquisizione di informazioni biologiche nei circuiti del sistema nervoso centrale.
3) Autonomia di giudizio, acquisendo una visione corretta del funzionamento del sistema nervoso, con particolare enfasi sui processi fondamentali di integrazione, sia a livello cellulare che sistemico.
4) Abilità comunicative, abituarsi all'esposizione, in classe, dei concetti richiesti dal docente, in un ambiente didattico stimolato e interattivo. Gli studenti saranno sempre esortati a tenere presente la necessità di un'esposizione e di una comunicazione scientificamente rigorosa con i colleghi e il pubblico in generale. Saranno stimolati ad esprimersi in un linguaggio corretto ed essenziale.
5) Capacità di apprendimento. Al termine del corso gli studenti possiederanno conoscenze e capacità di lettura critica per proseguire la propria formazione in autonomia, adattandosi alle nuove conoscenze e tecnologie nella comprensione dei processi integrativi che agiscono nel cervello.

Conoscenza di base di biologia cellulare e fisiologia cellulare nel sistema nervoso centrale.

Il corso è organizzato in due moduli correlati ma indipendenti e ad essi contribuiscono due docenti con competenze specifiche. Il programma si propone di fornire un'ampia informazione sugli approcci più attuali per studiare l'attività del cervello in vivo e sugli aspetti fondamentali dell'integrazione neuronale, dai processi integrativi svolti dalle membrane neuronali alle reti neuronali.
Principali argomenti che verranno presentati:
Parte 1: Biofisica delle membrane ed eccitabilità cellulare. Generazione delle onde cerebrali e meccanismi oscillatori. Ritmi talamo-corticali, onde fusiformi e onde delta. Ruolo di particolari proprietà della membrana, come canali ionici voltaggio-dipendenti o proprietà sinaptiche. Ruolo dei canali ionici voltaggio-dipendenti. Ritmo talamo-corticale.
Parte 1: Plasticità a lungo termine (LTP): dal postulato di Hebb alle evidenze elettrofisiologiche e comportamentali. LTP dipendente dal recettore NMDA. Spike time dependent plasticity. LTP anti-hebbiano. Depolarizzazione del GABA nelle prime fasi dello sviluppo e sue implicazioni per la plasticità sinaptica. Implicazioni funzionali della plasticità sinaptica dell'ippocampo: memoria e apprendimento. Cambiamenti plastici nei circuiti dell'amigdala. Un esempio di apprendimento associativo: il paradigma del condizionamento della paura. Meccanismo cellulare alla base della paura dell'estinzione. Il pesce zebra come modello alternativo per studiare la plasticità sinaptica nell'intero organismo.

Kandel, Principles of Neuronal Science, Mc Graw-Hill
Hille “Ionic channels of excitable membranes” Sinauer ass.editors [second or third edition]. In particular from chapter 1 to 5.
The presentation of the lectures and a collection of papers are provided to the students.

Il raggiungimento degli obiettivi dell'insegnamento viene valutato attraverso la partecipazione alle attività e alle esercitazioni assegnate durante il corso e un esame finale scritto.

L'esame scritto finale è composto da problemi simili a quelli svolti in classe durante il lavoro di gruppo. Durante il compito non è consentito l'uso di appunti, libri e altro materiale didattico. Un fac-simile del compito sarà reso disponibile.

Gli studenti frequentanti le lezioni possono accumulare ulteriori punti partecipando ai quiz e alle esercitazioni proposte in classe. Il bonus verrà aggiunto al voto del compito scritto.

Lezioni, seminari didattici integrativi e attività diretta (esercitazioni) in un laboratorio di neurofisiologia e live imaging.

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