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Modeling the electrophysiological properties of in vitro neurobiological systems: communication in neuronal networks and collective electrophysiological activity

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Anteprima della tesi: Modeling the electrophysiological properties of in vitro neurobiological systems: communication in neuronal networks and collective electrophysiological activity, Pagina 6
Dottorato di Ricerca in Bioingegneria (XIII ciclo) 
Politecnico di Milano 
 
Modeling the electrophysiological properties of in vitroneurobiological systems: 
communication in neuronal networks and collective electrical activity. 
 
Michele Giugliano 
 
 
I-11
 
Like the axonal membrane, the plasma membrane of dendrites contains specific proteins that allows 
the dendrite to receive and integrate information from other nerve cells, by affecting the membrane 
ionic permeability. The physiological role of the dendrite does not however consist exclusively in 
gathering signals from other cells as, in a few cases, dendrites share with axons the ability to 
actively transmit electrical signals (e.g. dendritic calcium spikes), and in many nerve cells both 
input and output of electrical signals occur on the same set of dendrite-like fine proc sses. 
The primary difference between neurons and most of other cell types (e.g. liver cells) is that 
neurons can generate and transmit either electrical or chemical signals, being the messengers used 
by the nervous system for all its functions. It is therefore of paramount importance to understand the 
principles and mechanisms of neuronal signaling and communication. Despite the extraordinary 
diversity and complexity of neuronal morphology and connectivity, a number of basic principles of 
signaling for all neurons and synapses is adopted throughout the nervous system, collectively 
referred to as excitability properties. In neurons or other excitable cells (e.g. muscle cells and 
pancreatic β-cells), electrical signals are carried primarily by transmembrane ion currents, and result 
in changes in transmembrane voltage. Four ion species are mainly involved in such currents: 
sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca2+) and chloride (Cl-), with the first three carrying 
positive charges (i.e. cations) and the fourth carrying negative charges (i.e. anions). The flows of 
these ions across the membrane are governed by physical laws and molecular mechanisms, later 
reviewed, discussed and quantitatively modeled in the Method section of the present thesis, and 
whose main energy source, ensuring ion movements, comes from ionic concentration gradients 
between the cytoplasm and the extracellular environment. These gradients are indefinitely 
maintained against thermodynamic equilibrium by active transport mechanisms called ion pump, 
whose energy is derived from the hydrolysis of ATP molecules (i.e. adenosinetriphosphate). The 
concentration gradients set up the electroch mical potential across the membrane, which drives ion 
flow in accordance with the laws of diffusion and drift (i.e. at a first approximation on the basis of 
the Ohm’s law). Although the energy sources and ion species involved in electrical signals are 
relatively simple, the gating mechanisms modulating the passage of ions across the membrane and 
determining the ionic membrane permeability, can be quite complicated. Actually, ions flow across 
the membrane through aqueous pores formed by transmembrane protein molecules, also know as 
the ion channels. These molecules may undergo three-dimensional conformational changes that, 
under certain conditions, allow ion passage (i.e. gate in the openstate) but under other conditions 
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Informazioni tesi

  Autore: Michele Giugliano
  Tipo: Tesi di Dottorato
Dottorato in Bioingegneria
Anno: 2001
Docente/Relatore: Massimo Grattarola
Correlatore: SergioCeruttiEmanueleBiondi
Istituito da: Politecnico di Milano
Dipartimento: Dipartimento di Bioingegneria
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 198

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kinetic models
markov models
oscillations
networks of neurons
computer simulation
chemical synapses

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