368/95 - UniNa STiDuE

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A.A. 1996/97 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE _____________________________________________________________________ CORSO DI LAUREA IN PROGRAMMA DEL CORSO DI DOCENTE

INGEGNERIA ELETTRONICA BIOINGEGNERIA Paolo Inchingolo

Elementi di anatomo-fisiologia La cellula nervosa. Il sistema nervoso centrale (SNC), il sistema nervoso periferico (SNP) ed il sistema nervoso autonomo (SNA). La via della sensibilità generale e la via motrice. L'arco riflesso. Organizzazione del midollo spinale, del bulbo, del ponte, del mesencefalo e del telencefalo. Il cervelletto. La via extrapiramidale. Il sistema reticolare. I nervi cranici. La via visiva: Anatomia e fisiologia della retina. La via visiva principale dalla retina alle cellule corticali. La via visiva collicolare e del riflesso pupillare. I campi recettivi delle cellule visive. I nervi oculo-motori. Generazione e controllo dei movimenti oculari volontari. Nuclei e nervi oculomotori. Strutture nervose corticali, sottocorticali e cerebellari implicate nel controllo oculomotorio. Anatomo-fisiologia della via uditiva. Anatomo-fisiologia della via vestibolare. Movimenti oculari di origine vestibolare. Generalità sulla bioingegneria dei sistemi biologici e sull'uso dei modelli matematici in medicina e biologia Le professioni nell'ambito della bioingegneria. L'uso di modelli matematici dei sistemi biologici nell'anatomo-fisiologia, nella diagnosi e nella prognosi clinica, nella riabilitazione funzionale e nello sport. Non linearità, bilateralità, distribuzione dei parametri, modificabilità e controllo adattivo nei modelli biologici. Generalità sulle reti nervose. Modalità di rappresentazione dei modelli. I modelli anatomo-funzionali. Modelli delle membrane cellulari eccitabili Mobilità assoluta e coefficiente di diffusione. Legge di Ohm nelle soluzioni e in presenza di una membrana semi-permeabile. Legge di Fick. Relazione di Einstein. Legge di neutralità di carica nello spazio. Equilibrio in un sistema con uno ione mobile. Equazione di Nernst. Potenziale termodinamico. Equilibrio termodinamico. Equilibrio di Donnan per più ioni mobili. Equilibrio quasi-statico. L'Equazione di Goldmann-Hodgkin-Katz. La pompa elettrogenica sodio-potassio. Valutazione del potenziale di membrana a riposo e in attivazione dall'equazione di Goldmann-Hodgkin-Katz. Distribuzione di ioni e potenziale di riposo in una cellula eccitabile e nel globulo rosso. Modello elettrico di membrana a canali indipendenti. Inclusione della pompa sodiopotassio e della capacità di membrana. Esempi applicativi alla sinapsi e alla placca neuromuscolare.

Voltage clamp. Equazione di Hodgkin-Katz. Modello non-lineare e attivo di membrana a conduttanza variabile sodio-potassio e sua simulazione in condizioni di voltage clamp. Potenziale d'azione. Refrattarietà assoluta e relativa. Modello semplificato RC di membrana. Modello distribuito. Teoria del cavo per l'assone e estensione al corpo cellulare. Proprietà passive di membrana. Costante di tempo e costante di spazio. Esempi applicativi. Potenziali graduati. Interazione di potenziali graduati nelle reti nervose. Generazione del potenziale d'azione in vari tipi di cellule. Curva intensità-durata e sua espressione analitica. Non-linerità e distorsioni per perdite ohmiche nei canali ionici e per refrettarietà. Codifica, decodifica e propagazione dei treni di impulsi Treni di impulsi. Processo di codifica. Caratteristica corrente-frequenza del treno. Non-linearità e distorsioni. Espressione adimensionale. Approssimata di secondo ordine. Correzioni naturali con ingressi secondari. Espressione formale del treno di impulsi con correnti di ingresso variabili. Spettro. Codifica e decodifica naturale di un treno di impulsi. Sommazione spazio-temporale nella decodifica naturale; la ridondanza di canale, la portante asincrona e la media di assieme. Decodifica strumentale di treni registrati sperimentalmente. Propagazione dei treni di impulsi in assoni non mielinati e mielinati. Equazione di cavo nel tempo e nello spazio. Correnti d'azione. Campo elettrico d'azione nel volume conduttore extracellulare. Misure massive extracellulari dei potenziali bioelettrici. Registrazioni di potenziali cellulari da assoni, neuroni e complesse strutture sincrone. Rilievo di potenziali extracellulari da nuclei neuronici sincroni ed asincroni. Campi elettrici generati da corpi cellulari e da dendriti. Onde elettroencefalografiche. Elaborazione dell'informazione nel corpo cellulare, giunzione sinaptica e neuromuscolare Sinapsi e placche neuromuscolari. I mediatori chimici. Eccitazione ed inibizione post-sinaptica. Funzione di somma/differenza delle giunzioni sinaptiche. I recettori, gli interneuroni e i motoneuroni. Catene neuroniche. Circuiti mono- bi- tri- e polisinaptici. Divergenza e convergenza. Ridondanza e media d'assieme. Elaborazioni dei treni di impulsi operate da semplici reti neuroniche. La funzione passa-basso del neurone. Alterazione della dinamica del neurone mediante retroazioni positive o negative asso-somatiche. L'integratore neuronale. Circuiti neurali Bilateralità delle strutture nervose. Circuiti neurali bilaterali con comportamento lineare: polo variabile, integratore, poli+zeri variabili. Controllo cerebellare di poli e zeri mediante condivisione parziale delle reazioni. Circuiti neurali bilaterali con comportamento non-lineare: generatore bilaterale del controllo di velocità del sistema saccadico, controllore bilaterale motoneuronico. Reti neurali naturali a media e ad alta distribuzione. Comparazione con le reti neurali artificiali. Alterazioni di risposte sensori-motorie dovute a modifica dei parametri dinamici e statici dei circuiti bilaterali, considerati come concentrati. Alterazioni parziali, modellizzabili come modifiche parziali di circuiti a parametri distribuiti. Ottimizzazione delle risorse naturali nel controllo non-lineare statico, dinamico e anti-isteretico. 2

Organizzazione generale dei sistemi sensori-motori Anelli di reazione con propiocettori e con copie del segnale efferente motoneuronico di controllo muscolare. Uso degli anelli locali di reazione come ottimizzatori dei comandi di posizionevelocità in condizioni non-lineari. Cellule a burst di comando di velocità. Esempio nel sistema di rifissazione oculare saccadica. Estensione del concetto al controllo segmentale. Codifiche temporali di neuroni nel tronco dell'encefalo. Schema base del riflesso vestibulo-oculomotorio (VOR) e del controllo di posizione-velocità dell'impianto oculare. Oscillazione di circuiti neurali ad alto guadagno e a larga banda, e ruolo del sistema delle cellule di pausa per bloccare tali sistemi durante i periodi di inattività. Esempio del sistema oculare saccadico. Anelli chiusi sensori-motori. Apertura degli anelli mediante reazioni positive locali nel sistema nervoso. Ricostruzione del mondo esterno. Oscillazioni. Riflessi sensori-motori automatici e azioni motorie volontarie in risposta a stimoli sensoriali reali, immaginari o per pura volontà. Possibilità o meno di azioni volontarie in assenza di stimoli reali. Modulazione volontaria del comportamento di un sistema volontario o riflesso. Interazione tra sistemi volontari e riflessi. Plasticità dei sistemi di controllo motorio. Modificabilità e controllo adattivo. Uso dell'esperienza. Ottimizzazione del controllo adattivo per tentativi. Funzione cerebellare. Strategie generali del controllo adattivo di posizione. Strategie generali del controllo adattivo della compensazione della dinamica. Controllo di posizione e di compensazione della dinamica in funzione della posizione del sistema controllato. Esempio del sistema oculomotorio. Efficienza neuromuscolare. Compensazione cerebellare. Controlli cerebellari preprogrammati e di assestamento in tempo reale. Stabilizzazione visiva e ripuntamento Il problema della stabilizzazione visiva negli esseri viventi e nei robot. Comparazione dei sottosistemi sensoriali, dei sottosistemi di controllo motorio e delle strategie di compensazione. Il ripuntamento (rifissazione) negli essere viventi e nei robot. Comparazione dei sottosistemi sensoriali, dei sottosistemi di controllo motorio e delle strategie di ripuntamento. La correzione degli errori di posizione accumulati dall’azione dei sottosistemi di stabilizzazione visiva mediante interazione dei sottosistemi di ripuntamento. Comparazione delle strategie adottate negli esseri viventi e nei robot. Plasticità, adattamento e apprendimento nell’ottimizzazione dei sistemi di stabilizzazione visiva e di ripuntamento naturali e artificiali. Stabilizzazione visiva e ripuntamento di due occhi o telecamere in ambiente tridimensionale. I modelli del sistemi di controllo dei globi oculari I sistemi di stabilizzazione: il riflesso vestibulo-oculomotorio (VOR), il sistema otticocinetico (OKS) e il sistema di inseguimento lento (SPS). Loro caratteristiche e sinergie. 3

Il sistema saccadico. Suo impiego volontario come sistema di rifissazione. Suoi impieghi automatici come compensatore di errori di posizione. Adattamento, plasticità e apprendimento nel sistemo saccadico. Nistagmo vestibolare, otticocinetico, da interazione. Inseguimento con saccadici. Risposte saccadiche multiple. Alterazioni delle risposte saccadiche. Interpretazioni delle patologie. Modelli compartimentali di sistemi biologici Definizione di compartimento e concetti di base. Sistemi compartimentali lineari: struttura, rappresentazione, analisi. Metodi di identificabilità a priori. Sistemi compartimentali non lineari: cenni e metodi di linearizzazione. Uso di traccianti in regime stazionario. Stima dei parametri di sistemi compartimentali: metodi grafico, ai minimi quadrati, di stima diretta nel tempo. Esempio di processo analizzato mediante l'uso dei sistemi compartimentali.

Simulazione dei modelli su calcolatore L’ambiente di simulazione MATLAB/SIMULINK/Neural Networks. Sviluppo di modelli concentrati e distribuiti.

Esercitazioni Progetto di programmi di simulazione di semplici circuiti e reti neurali con MATLAB/SIMULINK. Strumenti di modellizzazione e personalizzazione dell’ambiente di simulazione. Controllo dei loop algebrici e dei parametri della simulazione. La verifica della correttezza dei modelli dei sistemi biologici. Modello di membrana di Hodgkin & Huxley, implementazione del Voltage-Clamp, funzioni che descrivono le conduttanze ioniche, analisi della corrente trans-menbrana in condizioni di Voltage-Clamp: Modello di assone: celle elementari passive ed attive. Soluzione di equazioni differenziali mediante derivatori o integratori. Modelli con elementi non lineari. Non linearità, dispositivi a soglia variabile e dispositivi ad innesco. Simulazione di codifica-decodifica di un treno di impulsi, rispettivamente a livello sinaptico e della zona trigger somatica. Reti neuronali. Circuiti elementari in singola e multipla reazione per la simulazione di neuroni eccitatori e/o inibitori a guadagno e costante di tempo variabile. Reti neuronali per l’esecuzione delle saccadi, reti monolaterali per la realizzazione di un integratore o di un filtro passabasso. Reti bilaterali per la realizzazione di un integratore neuronale. La cooperazione fra i sistemi: la condivisione delle strutture, i ritardi ed i circuiti logici di controllo e sincronismo fra sottosistemi. Simulazione di modelli dei sistemi oculomotori saccadici, di inseguimento lento, otticocinetico e vestibolare. Testi consigliati

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A. T. Bahill, Bioengineering: Biomedical, Medical and Clinic Engineering, Ed. Perentice-Hall, 1981. Fotocopie dei lucidi proiettati nel corso delle lezioni Manuali operativi di MATLAB/SIMULINK.

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