Bioimaging of animal embryogenesis: mathematical methods and computational algorithms

Some fundamental biological processes such as embryonic development have been preserved during evolution and are common to species belonging to different phylogenetic positions, but are nowadays largely unknown. The understanding of cell morphodynamics leading to the formation of organized spatial distribution of cells such as tissues and organs can be achieved through the reconstruction of cells shape and position during the development of a live animal embryo. We design in this work a chain of image processing methods to automatically segment and track cells nuclei and membranes during the development of a zebrafish embryo, which has been largely validates as model organism to understand vertebrate development, gene function and healingrepair mechanisms in vertebrates. The embryo is previously labeled through the ubiquitous expression of fluorescent proteins addressed to cells nuclei and membranes, and temporal sequences of volumetric images are acquired with laser scanning microscopy. Cells position is detected by processing nuclei images either through the generalized form of the Hough transform or identifying nuclei position with local maxima after a smoothing preprocessing step. Membranes and nuclei shapes are reconstructed by using PDEs based variational techniques such as the Subjective Surfaces and the Chan Vese method. Cells tracking is performed by combining informations previously detected on cells shape and position with biological regularization constraints. Our results are manually validated and reconstruct the formation of zebrafish brain at 7-8 somite stage with all the cells tracked starting from late sphere stage with less than 2% error for at least 6 hours. Our reconstruction opens the way to a systematic investigation of cellular behaviors, of clonal origin and clonal complexity of brain organs, as well as the contribution of cell proliferation modes and cell movements to the formation of local patterns and morphogenetic fields.

Dalla regione policentrica ai sistemi urbani. Locale e globale una ricerca di coerenze

La ricerca svolta ha individuato fra i suoi elementi promotori l’orientamento determinato da parte della comunità europea di dare vita e sostegno ad ambiti territoriali intermedi sub nazionali di tipo regionale all’interno dei quali i sistemi di città potessero raggiungere le massime prestazioni tecnologiche per cogliere gli effetti positivi delle innovazioni. L’orientamento europeo si è confrontato con una realtà storica e geografica molto variata in quanto accanto a stati membri, nei quali le gerarchie fra città sono storicamente radicate e funzionalmente differenziate secondo un ordine che vede la città capitale dominante su città subalterne nelle quali la cultura di dominio del territorio non è né continua né gerarchizzata sussistono invece territori nazionali compositi con una città capitale di riconosciuto potere ma con città di minor dimensione che da secoli esprimono una radicata incisività nella organizzazione del territorio di appartenenza. Alla prima tipologia di stati appartengono ad esempio i Paesi del Nord Europa e l’Inghilterra, esprimendo nella Francia una situazione emblematica, alla seconda tipologia appartengono invece i Paesi dell’aera mediterranea, Italia in primis, con la grande eccezione della Germania. Applicando gli intendimenti comunitari alla realtà locale nazionale, questa tesi ha avviato un approfondimento di tipo metodologico e procedurale sulla possibile organizzazione a sistema di una regione fortemente policentrica nel suo sviluppo e “artificiosamente” rinata ad unità, dopo le vicende del XIX secolo: l’Emilia-Romagna. Anche nelle regioni che si presentano come storicamente organizzate sulla pluralità di centri emergenti, il rapporto col territorio è mediato da centri urbani minori che governano il tessuto cellulare delle aggregazioni di servizi di chiara origine agraria. Questo stato di cose comporta a livello politico -istituzionale una dialettica vivace fra territori voluti dalle istituzioni e territori legittimati dal consolidamento delle tradizioni confermato dall’uso attuale. La crescente domanda di capacità di governo dello sviluppo formulata dagli operatori economici locali e sostenuta dalle istituzioni europee si confronta con la scarsa capacità degli enti territoriali attuali: Regioni, Comuni e Province di raggiungere un livello di efficienza sufficiente ad organizzare sistemi di servizi adeguati a sostegno della crescita economica. Nel primo capitolo, dopo un breve approfondimento sulle “figure retoriche comunitarie”, quali il policentrismo, la governance, la coesione territoriale, utilizzate per descrivere questi fenomeni in atto, si analizzano gli strumenti programmatici europei e lo S.S.S.E,. in primis, che recita “Per garantire uno sviluppo regionale equilibrato nella piena integrazione anche nell’economia mondiale, va perseguito un modello di sviluppo policentrico, al fine di impedire un’ulteriore eccessiva concentrazione della forza economica e della popolazione nei territori centrali dell’UE. Solo sviluppando ulteriormente la struttura, relativamente decentrata, degli insediamenti è possibile sfruttare il potenziale economico di tutte le regioni europee.” La tesi si inserisce nella fase storica in cui si tenta di definire quali siano i nuovi territori funzionali e su quali criteri si basa la loro riconoscibilità; nel tentativo di adeguare ad essi, riformandoli, i territori istituzionali. Ai territori funzionali occorre riportare la futura fiscalità, ed è la scala adeguata per l'impostazione della maggior parte delle politiche, tutti aspetti che richiederanno anche la necessità di avere una traduzione in termini di rappresentanza/sanzionabilità politica da parte dei cittadini. Il nuovo governo auspicato dalla Comunità Europea prevede una gestione attraverso Sistemi Locali Territoriali (S.Lo.t.) definiti dalla combinazione di milieu locale e reti di attori che si comportano come un attore collettivo. Infatti il secondo capitolo parte con l’indagare il concetto di “regione funzionale”, definito sulla base della presenza di un nucleo e di una corrispondente area di influenza; che interagisce con altre realtà territoriali in base a relazioni di tipo funzionale, per poi arrivare alla definizione di un Sistema Locale territoriale, modello evoluto di regione funzionale che può essere pensato come una rete locale di soggetti i quali, in funzione degli specifici rapporti che intrattengono fra loro e con le specificità territoriali del milieu locale in cui operano e agiscono, si comportano come un soggetto collettivo. Identificare un sistema territoriale, è una condizione necessaria, ma non sufficiente, per definire qualsiasi forma di pianificazione o governance territoriale, perchè si deve soprattutto tener conto dei processi di integrazione funzionale e di networking che si vengono a generare tra i diversi sistemi urbani e che sono specchio di come il territorio viene realmente fruito., perciò solo un approccio metodologico capace di sfumare e di sovrapporre le diverse perimetrazioni territoriali riesce a definire delle aree sulle quali definire un’azione di governo del territorio. Sin dall’inizio del 2000 il Servizio Sviluppo Territoriale dell’OCSE ha condotto un’indagine per capire come i diversi paesi identificavano empiricamente le regioni funzionali. La stragrande maggioranza dei paesi adotta una definizione di regione funzionale basata sul pendolarismo. I confini delle regioni funzionali sono stati definiti infatti sulla base di “contorni” determinati dai mercati locali del lavoro, a loro volta identificati sulla base di indicatori relativi alla mobilità del lavoro. In Italia, la definizione di area urbana funzionale viene a coincidere di fatto con quella di Sistema Locale del Lavoro (SLL). Il fatto di scegliere dati statistici legati a caratteristiche demografiche è un elemento fondamentale che determina l’ubicazione di alcuni servizi ed attrezzature e una mappa per gli investimenti nel settore sia pubblico che privato. Nell’ambito dei programmi europei aventi come obiettivo lo sviluppo sostenibile ed equilibrato del territorio fatto di aree funzionali in relazione fra loro, uno degli studi di maggior rilievo è stato condotto da ESPON (European Spatial Planning Observation Network) e riguarda l’adeguamento delle politiche alle caratteristiche dei territori d’Europa, creando un sistema permanente di monitoraggio del territorio europeo. Sulla base di tali indicatori vengono costruiti i ranking dei diversi FUA e quelli che presentano punteggi (medi) elevati vengono classificati come MEGA. In questo senso, i MEGA sono FUA/SLL particolarmente performanti. In Italia ve ne sono complessivamente sei, di cui uno nella regione Emilia-Romagna (Bologna). Le FUA sono spazialmente interconnesse ed è possibile sovrapporre le loro aree di influenza. Tuttavia, occorre considerare il fatto che la prossimità spaziale è solo uno degli aspetti di interazione tra le città, l’altro aspetto importante è quello delle reti. Per capire quanto siano policentrici o monocentrici i paesi europei, il Progetto Espon ha esaminato per ogni FUA tre differenti parametri: la grandezza, la posizione ed i collegamenti fra i centri. La fase di analisi della tesi ricostruisce l’evoluzione storica degli strumenti della pianificazione regionale analizzandone gli aspetti organizzativi del livello intermedio, evidenziando motivazioni e criteri adottati nella suddivisione del territorio emilianoromagnolo (i comprensori, i distretti industriali, i sistemi locali del lavoro…). La fase comprensoriale e quella dei distretti, anche se per certi versi effimere, hanno avuto comunque il merito di confermare l’esigenza di avere un forte organismo intermedio di programmazione e pianificazione. Nel 2007 la Regione Emilia Romagna, nell’interpretare le proprie articolazioni territoriali interne, ha adeguato le proprie tecniche analitiche interpretative alle direttive contenute nel Progetto E.S.P.O.N. del 2001, ciò ha permesso di individuare sei S.Lo.T ( Sistemi Territoriali ad alta polarizzazione urbana; Sistemi Urbani Metropolitani; Sistemi Città – Territorio; Sistemi a media polarizzazione urbana; Sistemi a bassa polarizzazione urbana; Reti di centri urbani di piccole dimensioni). Altra linea di lavoro della tesi di dottorato ha riguardato la controriprova empirica degli effettivi confini degli S.Lo.T del PTR 2007 . Dal punto di vista metodologico si è utilizzato lo strumento delle Cluster Analisys per impiegare il singolo comune come polo di partenza dei movimenti per la mia analisi, eliminare inevitabili approssimazioni introdotte dalle perimetrazioni legate agli SLL e soprattutto cogliere al meglio le sfumature dei confini amministrativi dei diversi comuni e province spesso sovrapposti fra loro. La novità è costituita dal fatto che fino al 2001 la regione aveva definito sullo stesso territorio una pluralità di ambiti intermedi non univocamente circoscritti per tutte le funzioni ma definiti secondo un criterio analitico matematico dipendente dall’attività settoriale dominante. In contemporanea col processo di rinnovamento della politica locale in atto nei principali Paesi dell’Europa Comunitaria si va delineando una significativa evoluzione per adeguare le istituzioni pubbliche che in Italia comporta l’attuazione del Titolo V della Costituzione. In tale titolo si disegna un nuovo assetto dei vari livelli Istituzionali, assumendo come criteri di riferimento la semplificazione dell’assetto amministrativo e la razionalizzazione della spesa pubblica complessiva. In questa prospettiva la dimensione provinciale parrebbe essere quella tecnicamente più idonea per il minimo livello di pianificazione territoriale decentrata ma nel contempo la provincia come ente amministrativo intermedio palesa forti carenze motivazionali in quanto l’ente storico di riferimento della pianificazione è il comune e l’ente di gestione delegato dallo stato è la regione: in generale troppo piccolo il comune per fare una programmazione di sviluppo, troppo grande la regione per cogliere gli impulsi alla crescita dei territori e delle realtà locali. Questa considerazione poi deve trovare elementi di compatibilità con la piccola dimensione territoriale delle regioni italiane se confrontate con le regioni europee ed i Laender tedeschi. L'individuazione di criteri oggettivi (funzionali e non formali) per l'individuazione/delimitazione di territori funzionali e lo scambio di prestazioni tra di essi sono la condizione necessaria per superare l'attuale natura opzionale dei processi di cooperazione interistituzionale (tra comuni, ad esempio appartenenti allo stesso territorio funzionale). A questo riguardo molto utile è l'esperienza delle associazioni, ma anche delle unioni di comuni. Le esigenze della pianificazione nel riordino delle istituzioni politico territoriali decentrate, costituiscono il punto finale della ricerca svolta, che vede confermato il livello intermedio come ottimale per la pianificazione. Tale livello è da intendere come dimensione geografica di riferimento e non come ambito di decisioni amministrative, di governance e potrebbe essere validamente gestito attraverso un’agenzia privato-pubblica dello sviluppo, alla quale affidare la formulazione del piano e la sua gestione. E perché ciò avvenga è necessario che il piano regionale formulato da organi politici autonomi, coordinati dall’attività dello stato abbia caratteri definiti e fattibilità economico concreta.

Periferie e mondi operai: immigrazione, spazi sociali e ambiti culturali negli anni '50

La tesi analizza il rapporto tra pratiche sociali, modelli di insediamento e morfologia urbana in due casi di costruzione di un tessuto urbano operaio che si prestano ad una stimolante comparazione. Da un lato abbiamo degli immigrati verso un polo industriale dell’area metropolitana milanese (Sesto San Giovanni), dall’altro un bacino minerario vallone (La Louvière). Si tratta di contesti di inserimento in aree industriali profondamente differenti dal punto di vista della morfologia sociale e dell’organizzazione territoriale, che profilano spazi ibridi tra rurale e urbano in profonda e rapida trasformazione, a causa del massiccio afflusso di manodopera immigrata. Le profonde differenze tra le due aree consentono di mettere alla prova dell’analisi comparata concetti e percorsi storici dell’integrazione, del tessuto sociale che la presuppone, della cittadinanza, della costruzione delle identità collettive in modo da superare stereotipe dicotomie tra rurale/urbano, tradizione/moderno, integrazione/conflitto. La tesi sviluppa un’analisi parallela dei due casi lungo un crinale argomentativo unitario che si apre con una ricerca sui flussi migratori e i contesti di approdo delle migrazioni. Nei primi due capitoli viene delineato il contesto economico, sociale e territoriale nel quale si inseriscono i due processi migratori. Per il caso belga, si analizzano il ciclo economico dell’industria carbonifera, il processo di spopolamento della Vallonia, l’avvio dei flussi migratori al termine della seconda guerra mondiale e i meccanismi che li hanno presieduti, vale a dire una migrazione contrattata tra i due governi che spostavano migranti provenienti da poche e selezionate località, rendono conto del primo dei due flussi. Per quanto riguarda il caso interno, viene delineato il contesto della rapida urbanizzazione che porta una serie di comuni contermini al capoluogo lombardo ad entrare nell’orbita metropolitana, qualificandosi come poli periferici di un’area vasta e perdendo la riconoscibilità come nuclei urbani indipendenti. Delineato questo quadro generale, la tesi affronta la questione delle abitazioni e delle forme urbane che assumono queste due mete di migrazione. Per quanto riguarda La Louvière, è ricostruito il duro impatto con il mondo del lavoro nelle miniere e le miserevoli condizioni abitative dei primi immigrati, l’assenza di una iniziativa pubblica nel settore abitativo fino al 1954, solo debolmente compensata dalle iniziative patronali, e la fase invece della seconda metà degli anni ‘50 che porta alla stabilizzazione degli immigrati italiani nell’area. Di Sesto San Giovanni viene ricostruita la complessa transizione a moderna periferia urbana, a partire da insediamenti di tipo rurale, passando attraverso le «Coree» e l’iniziativa pubblica, locale e nazionale, nonché l’intervento edilizio delle grandi imprese industriali che operavano nel suo territorio. L’intervento urbanistico nella cintura metropolitana milanese era al centro di un vivace dibattito sulla pianificazione urbanistica a livello intercomunale che dà luogo a ricerche e studi sulla condizione abitativa. Nell’ultima parte della ricerca, si approfondiscono gli aspetti sociali e culturali del percorso di insediamento e di integrazione nel tessuto urbano. E’ in questa parte che vengono maggiormente utilizzate le fonti orali – sempre opportunamente affiancate e confrontate con altri documenti – al fine di individuare la percezione di sé, della propria identità, le relazioni con altri gruppi sociali, i cambiamenti che la migrazione e l’incontro con la città e l’industria portano nei ruoli di genere, nelle prospettive di vita, nei desideri e nei progetti di questi migranti. Rilevando le peculiarità di due esperienze sociali di migrazione che a partire da contesti di partenza molto simili e portando perlopiù dei contadini ad incontrare città di un mondo lontano, la comparazione profila dinamiche sociali, identitarie e politiche profondamente diverse nei bacini minerari valloni e nella metropoli del miracolo.