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Ruolo del rumore endogeno ed esogeno nella codifica del segnale elettromagnetico da parte di un modello di neurone silente.

Informazioni tesi

  Autore: Carla De Santis
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2006-07
  Università: Università degli Studi di Roma La Sapienza
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria clinica
  Relatore: Micaela Liberti
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 66

Negli ultimi anni si è assistito ad un crescente interesse nei confronti di possibili effetti indotti da un campo elettromagnetico (EM) esogeno sui costituenti di base del sistema nervoso, i neuroni. Questo ha portato ad uno sviluppo della ricerca, sia di tipo teorico che sperimentale, per valutare gli effetti e comprendere i meccanismi di interazione tra il campo EM e l’attività elettrofisiologica dei neuroni .
Nei sistemi neuronali il rumore, che in altri ambiti è generalmente considerato un elemento di disturbo, può rappresentare un aspetto positivo e avere un ruolo fondamentale nella normale attività elettrofisiologica. Attraverso il fenomeno della risonanza stocastica (SR), ad esempio, il rumore riesce ad ottimizzare la capacità del sistema nel codificare deboli segnali sottosoglia . La SR, in generale, rappresenta una situazione in cui la semplice aggiunta di rumore alla dinamica di un sistema non lineare amplifica la risposta di quest’ultimo all’azione di segnali esterni anche deboli, migliorando la codifica dell’informazione da essi trasportata. Il rumore quindi aumenta l’efficienza di rilevazione e/o trasmissione dell’informazione.
Considerando lo stimolo come un segnale esogeno, rappresentativo di un campo EM esterno, è stato accertato che il meccanismo della SR si presenta sia in un patch di membrana di un singolo neurone, sia in una fibra nervosa mielinica. I risultati di questi studi hanno mostrato come il rumore endogeno (channel noise, rumore termico e rumore sinaptico), normalmente presente in un neurone, dia luogo al fenomeno della SR in un modello neuronale alla Hodgkin-Huxley (H-H) operante a 6,3°C.
Successivi studi hanno evidenziato che, introducendo nel suddetto modello neuronale una opportuna quantità di rumore esogeno, e quindi controllabile dall’esterno, in aggiunta al segnale EM, è possibile ottimizzare ancora la rilevabilità del segnale. Tali risultati sono di notevole importanza in quanto suggeriscono la possibilità di utilizzare un rumore esogeno per ottimizzare l’efficacia di dispositivi biomedicali quali le protesi cocleari.
La maggior parte degli esperimenti in vitro per valutare l’attività elettrofisiologica dei neuroni durante l’esposizione a campi EM viene condotta in laboratorio a temperatura ambiente . Pertanto, scopo di questo studio sarà andare a valutare il comportamento neuronale alla temperatura di 18°C, attraverso un modello H-H di singolo neurone in cui si è introdotto un fattore moltiplicativo per modificare la temperatura standard di 6,3°C, ed effettuare un confronto con i risultati precedentemente ottenuti a 6,3°C.
Nel presente lavoro verrà data inizialmente una breve descrizione del modello H-H con il quale viene schematizzato il neurone e si mostrerà l’influenza delle variazioni di temperatura sulle risposte del modello stesso (Capitolo 1). Nel Capitolo 2, invece, verranno descritte le sorgenti di rumore, le modalità di inserzione sia del rumore endogeno che esogeno e d’introduzione del segnale EM. Si illustrerà, inoltre, il meccanismo che dà luogo al fenomeno della SR e i metodi di analisi utilizzati per lo studio dell’attività di firing neuronale e della rilevabilità di un segnale EM esogeno. Nei capitoli terzo e quarto, l’attenzione verrà incentrata sui risultati ottenuti relativamente agli effetti del rumore endogeno ed esogeno, rispettivamente, nel firing neuronale e nella rilevabilità del segnale EM. I risultati prodotti verranno confrontati con quelli riportati a 6.3°C per valutare il ruolo della temperatura nei fenomeni descritti.


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INTRODUZIONE Negli ultimi anni si è assistito ad un crescente interesse nei confronti di possibili effetti indotti da un campo elettromagnetico (EM) esogeno sui costituenti di base del sistema nervoso, i neuroni. Questo ha portato ad uno sviluppo della ricerca, sia di tipo teorico che sperimentale, per valutare gli effetti e comprendere i meccanismi di interazione tra il campo EM e l’attività elettrofisiologica dei neuroni (Giannì et al. 2006; Marchionni et al., 2006; Platano et al., 2007). Nei sistemi neuronali il rumore, che in altri ambiti è generalmente considerato un elemento di disturbo, può rappresentare un aspetto positivo e avere un ruolo fondamentale nella normale attività elettrofisiologica. Attraverso il fenomeno della risonanza stocastica (SR), ad esempio, il rumore riesce ad ottimizzare la capacità del sistema nel codificare deboli segnali sottosoglia (Yu et al., 2001, Paffi et al.,2006). La SR, in generale, rappresenta una situazione in cui la semplice aggiunta di rumore alla dinamica di un sistema non lineare amplifica la risposta di quest’ultimo all’azione di segnali esterni anche deboli, migliorando la codifica dell’informazione da essi trasportata. Il rumore quindi aumenta l’efficienza di rilevazione e/o trasmissione dell’informazione. Considerando lo stimolo come un segnale esogeno, rappresentativo di un campo EM esterno, è stato accertato che il meccanismo della SR si presenta sia in un patch di membrana di un singolo neurone, sia in una fibra nervosa mielinica (Giannì, 2006). I risultati di questi studi hanno mostrato come il rumore endogeno (channel noise, rumore termico e rumore sinaptico), normalmente presente in un neurone, dia luogo al fenomeno della SR in un modello neuronale alla Hodgkin- Huxley (H-H) operante a 6,3°C. Successivi studi (Serafini, 2006; Paffi et al. 2006) hanno evidenziato che, introducendo nel suddetto modello neuronale una opportuna quantità di rumore esogeno, e quindi controllabile dall’esterno, in aggiunta al segnale EM, è possibile ottimizzare ancora la rilevabilità del segnale. Tali risultati sono di notevole importanza in quanto suggeriscono la possibilità di utilizzare un rumore esogeno per ottimizzare l’efficacia di dispositivi biomedicali quali le protesi cocleari. 3

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Parole chiave

campi elettromagnetici
elettrofisiologiche
neuroni
rumore
rumori
rumori endogeni

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