Neural basis of visual deficits recovery: visual residual functions and multisensory integration.

The ability of integrating into a unified percept sensory inputs deriving from different sensory modalities, but related to the same external event, is called multisensory integration and might represent an efficient mechanism of sensory compensation when a sensory modality is damaged by a cortical lesion. This hypothesis has been discussed in the present dissertation. Experiment 1 explored the role of superior colliculus (SC) in multisensory integration, testing patients with collicular lesions, patients with subcortical lesions not involving the SC and healthy control subjects in a multisensory task. The results revealed that patients with collicular lesions, paralleling the evidence of animal studies, demonstrated a loss of multisensory enhancement, in contrast with control subjects, providing the first lesional evidence in humans of the essential role of SC in mediating audio-visual integration. Experiment 2 investigated the role of cortex in mediating multisensory integrative effects, inducing virtual lesions by inhibitory theta-burst stimulation on temporo-parietal cortex, occipital cortex and posterior parietal cortex, demonstrating that only temporo-parietal cortex was causally involved in modulating the integration of audio-visual stimuli at the same spatial location. Given the involvement of the retino-colliculo-extrastriate pathway in mediating audio-visual integration, the functional sparing of this circuit in hemianopic patients is extremely relevant in the perspective of a multisensory-based approach to the recovery of unisensory defects. Experiment 3 demonstrated the spared functional activity of this circuit in a group of hemianopic patients, revealing the presence of implicit recognition of the fearful content of unseen visual stimuli (i.e. affective blindsight), an ability mediated by the retino-colliculo-extrastriate pathway and its connections with amygdala. Finally, Experiment 4 provided evidence that a systematic audio-visual stimulation is effective in inducing long-lasting clinical improvements in patients with visual field defect and revealed that the activity of the spared retino-colliculo-extrastriate pathway is responsible of the observed clinical amelioration, as suggested by the greater improvement observed in patients with cortical lesions limited to the occipital cortex, compared to patients with lesions extending to other cortical areas, found in tasks high demanding in terms of spatial orienting. Overall, the present results indicated that multisensory integration is mediated by the retino-colliculo-extrastriate pathway and that a systematic audio-visual stimulation, activating this spared neural circuit, is able to affect orientation towards the blind field in hemianopic patients and, therefore, might constitute an effective and innovative approach for the rehabilitation of unisensory visual impairments.

Bioenergia ed innovazione nelle aree rurali: la valorizzazione energetica della biomassa forestale attraverso un caso studio

Le politiche di promozione e sostegno delle bioenergie sono state predisposte in relazione al raggiungimento di specifici obiettivi quali non sempre facilmente conciliabili: la riduzione delle emissioni di gas clima alteranti; la diminuzione della dipendenza energetica dai combustibili fossili; la creazione di nuove opportunità per le imprese agricole e forestali; il sostegno allo sviluppo rurale. All’interno del dibattito agricolo-economico la tematica delle bio-energie risulta di estrema attualità: ai potenziali vantaggi si contrappongono le critiche nei confronti della loro sostenibilità ambientale, economica e sociale. La bio-energia può però anche essere interpretata come un esempio di innovazione che coinvolge il settore agricolo e le aree rurali. Obiettivo del presente lavoro è infatti quello di proporre una rilettura del tema delle bioenergie attraverso l’approccio alla tematica dell’innovazione sviluppato nell’ambito del progetto europeo In-Sight, il quale parte dal presupposto che qualsiasi cambiamento nel sistema di produzione, di consumo e di distribuzione è in grado di generare innovazione. Tale approccio è stato utilizzato per analizzare il processo innovativo che ha condotto alla realizzazione di un impianto di teleriscaldamento a biomasse legnose in Toscana. Il caso studio dimostra come anche nel caso delle bioenergie gli elementi innovativi vadano oltre al di là del solo aspetto tecnologico.

Biodegradazione aerobica cometabolica di cloroformio: studio di fattibilità in reattori a biomassa adesa

Chlorinated Aliphatic Hydrocarbons (CAHs) are widespread wastewater and groundwater contaminants and represent a real danger for human health and environment. This research is related to the biodegradation technologies to treat chlorinated hydrocarbons. In particular the study of this thesis is focused on chloroform cometabolism by a butane-grown aerobic pure culture (Rhodococcus aetherovorans BCP1) in continuous-flow biofilm reactors, which are used for in-situ and on-site treatments. The work was divided in two parts: in the first one an experimental study has been conducted in two packed-bed reactors (PBRs) for a period of 370 days; in the second one a fluid dynamics and kinetic model has been developed in order to simulate the experimental data concerning a previous study made in a 2-m continuous-flow sand-filled reactor. The goals of the first study were to obtain preliminary information on the feasibility of chloroform biodegradation by BCP1 under attached-cell conditions and to evaluate the applicability of the pulsed injection of growth substrate and oxygen to biofilm reactors. The pulsed feeding represents a tool to control the clogging and to ensure a long bioreactive zone. The operational conditions implemented in the PBRs allowed the attainment of a 4-fold increase of the ratio of chloroform degraded to substrate consumed, in comparison with the phase of continuous substrate supply. The second study was aimed at identifying guidelines for optimizing the oxygen/substrate supply schedule, developing a reliable model of chloroform cometabolism in porous media. The tested model led to a suitable interpretation of the experimental data as long as the ratio of CF degraded to butane consumed was ≤ 0.27 mgchloroform /mgbutane. A long-term simulation of the best-performing schedule of pulsed oxygen/substrate supply indicated the attainment of a steady state condition characterized by unsatisfactory bioremediation performances, evidencing the need for a further optimization of the pulsed injection technique.

Componentistica avanzata per Impianti di Combustione a Biomassa

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente.

Applicazione della Metodologia LCA(Life Cycle Assesment): La sostenibilità ambientale di Impianti a Biomassa della regione Emilia Romagna

Lo studio che la candidata ha elaborato nel progetto del Dottorato di ricerca si inserisce nel complesso percorso di soluzione del problema energetico che coinvolge necessariamente diverse variabili: economiche, tecniche, politiche e sociali L’obiettivo è di esprimere una valutazione in merito alla concreta “convenienza” dello sfruttamento delle risorse rinnovabili. Il percorso scelto è stato quello di analizzare alcuni impianti di sfruttamento, studiare il loro impatto sull’ambiente ed infine metterli a confronto. Questo ha consentito di trovare elementi oggettivi da poter valutare. In particolare la candidata ha approfondito il tema dello sfruttamento delle risorse “biomasse” analizzando nel dettaglio alcuni impianti in essere nel Territorio della Regione Emilia-Romagna: impianti a micro filiera, filiera corta e filiera lunga. Con la collaborazione di Arpa Emilia-Romagna, Centro CISA e dell’Associazione Prof. Ciancabilla, è stata fatta una scelta degli impianti da analizzare: a micro filiera: impianto a cippato di Castel d’Aiano, a filiera corta: impianto a biogas da biomassa agricola “Mengoli” di Castenaso, a filiera lunga: impianto a biomasse solide “Tampieri Energie” di Faenza. Per quanto riguarda la metodologia di studio utilizzata è stato effettuato uno studio di Life Cycle Assesment (LCA) considerando il ciclo di vita degli impianti. Tramite l’utilizzo del software “SimaPro 6.0” si sono ottenuti i risultati relativi alle categorie di impatto degli impianti considerando i metodi “Eco Indicator 99” ed “Edip Umip 96”. Il confronto fra i risultati dell’analisi dei diversi impianti non ha portato a conclusioni di carattere generale, ma ad approfondite valutazioni specifiche per ogni impianto analizzato, considerata la molteplicità delle variabili di ogni realtà, sia per quanto riguarda la dimensione/scala (microfiliera, filiera corta e filiera lunga) che per quanto riguarda le biomasse utilizzate.

Residual visual processing following real or virtual lesions to primary visual pathways

Lesions to the primary geniculo-striate visual pathway cause blindness in the contralesional visual field. Nevertheless, previous studies have suggested that patients with visual field defects may still be able to implicitly process the affective valence of unseen emotional stimuli (affective blindsight) through alternative visual pathways bypassing the striate cortex. These alternative pathways may also allow exploitation of multisensory (audio-visual) integration mechanisms, such that auditory stimulation can enhance visual detection of stimuli which would otherwise be undetected when presented alone (crossmodal blindsight). The present dissertation investigated implicit emotional processing and multisensory integration when conscious visual processing is prevented by real or virtual lesions to the geniculo-striate pathway, in order to further clarify both the nature of these residual processes and the functional aspects of the underlying neural pathways. The present experimental evidence demonstrates that alternative subcortical visual pathways allow implicit processing of the emotional content of facial expressions in the absence of cortical processing. However, this residual ability is limited to fearful expressions. This finding suggests the existence of a subcortical system specialised in detecting danger signals based on coarse visual cues, therefore allowing the early recruitment of flight-or-fight behavioural responses even before conscious and detailed recognition of potential threats can take place. Moreover, the present dissertation extends the knowledge about crossmodal blindsight phenomena by showing that, unlike with visual detection, sound cannot crossmodally enhance visual orientation discrimination in the absence of functional striate cortex. This finding demonstrates, on the one hand, that the striate cortex plays a causative role in crossmodally enhancing visual orientation sensitivity and, on the other hand, that subcortical visual pathways bypassing the striate cortex, despite affording audio-visual integration processes leading to the improvement of simple visual abilities such as detection, cannot mediate multisensory enhancement of more complex visual functions, such as orientation discrimination.

Residual function, spontaneous reorganisation and treatment plasticity in homonymous visual field defects

This thesis will focus on the residual function and visual and attentional deficits in human patients, which accompany damage to the visual cortex or its thalamic afferents, and plastic changes, which follow it. In particular, I will focus on homonymous visual field defects, which comprise a broad set of central disorders of vision. I will present experimental evidence that when the primary visual pathway is completely damaged, the only signal that can be implicitly processed via subcortical visual networks is fear. I will also present data showing that in a patient with relative deafferentation of visual cortex, changes in the spatial tuning and response gain of the contralesional and ipsilesional cortex are observed, which are accompanied by changes in functional connectivity with regions belonging to the dorsal attentional network and the default mode network. I will also discuss how cortical plasticity might be harnessed to improve recovery through novel treatments. Moreover, I will show how treatment interventions aimed at recruiting spared subcortical pathway supporting multisensory orienting can drive network level change.