Rehabilitation Engineering in Parkinson's disease

Impairment of postural control is a common consequence of Parkinson's disease (PD) that becomes more and more critical with the progression of the disease, in spite of the available medications. Postural instability is one of the most disabling features of PD and induces difficulties with postural transitions, initiation of movements, gait disorders, inability to live independently at home, and is the major cause of falls. Falls are frequent (with over 38% falling each year) and may induce adverse consequences like soft tissue injuries, hip fractures, and immobility due to fear of falling. As the disease progresses, both postural instability and fear of falling worsen, which leads patients with PD to become increasingly immobilized. The main aims of this dissertation are to: 1) detect and assess, in a quantitative way, impairments of postural control in PD subjects, investigate the central mechanisms that control such motor performance, and how these mechanism are affected by levodopa; 2) develop and validate a protocol, using wearable inertial sensors, to measure postural sway and postural transitions prior to step initiation; 3) find quantitative measures sensitive to impairments of postural control in early stages of PD and quantitative biomarkers of disease progression; and 4) test the feasibility and effects of a recently-developed audio-biofeedback system in maintaining balance in subjects with PD. In the first set of studies, we showed how PD reduces functional limits of stability as well as the magnitude and velocity of postural preparation during voluntary, forward and backward leaning while standing. Levodopa improves the limits of stability but not the postural strategies used to achieve the leaning. Further, we found a strong relationship between backward voluntary limits of stability and size of automatic postural response to backward perturbations in control subjects and in PD subjects ON medication. Such relation might suggest that the central nervous system presets postural response parameters based on perceived maximum limits and this presetting is absent in PD patients OFF medication but restored with levodopa replacement. Furthermore, we investigated how the size of preparatory postural adjustments (APAs) prior to step initiation depend on initial stance width. We found that patients with PD did not scale up the size of their APA with stance width as much as control subjects so they had much more difficulty initiating a step from a wide stance than from a narrow stance. This results supports the hypothesis that subjects with PD maintain a narrow stance as a compensation for their inability to sufficiently increase the size of their lateral APA to allow speedy step initiation in wide stance. In the second set of studies, we demonstrated that it is possible to use wearable accelerometers to quantify postural performance during quiet stance and step initiation balance tasks in healthy subjects. We used a model to predict center of pressure displacements associated with accelerations at the upper and lower back and thigh. This approach allows the measurement of balance control without the use of a force platform outside the laboratory environment. We used wearable accelerometers on a population of early, untreated PD patients, and found that postural control in stance and postural preparation prior to a step are impaired early in the disease when the typical balance and gait intiation symptoms are not yet clearly manifested. These novel results suggest that technological measures of postural control can be more sensitive than clinical measures. Furthermore, we assessed spontaneous sway and step initiation longitudinally across 1 year in patients with early, untreated PD. We found that changes in trunk sway, and especially movement smoothness, measured as Jerk, could be used as an objective measure of PD and its progression. In the third set of studies, we studied the feasibility of adapting an existing audio-biofeedback device to improve balance control in patients with PD. Preliminary results showed that PD subjects found the system easy-to-use and helpful, and they were able to correctly follow the audio information when available. Audiobiofeedback improved the properties of trunk sway during quiet stance. Our results have many implications for i) the understanding the central mechanisms that control postural motor performance, and how these mechanisms are affected by levodopa; ii) the design of innovative protocols for measuring and remote monitoring of motor performance in the elderly or subjects with PD; and iii) the development of technologies for improving balance, mobility, and consequently quality of life in patients with balance disorders, such as PD patients with augmented biofeedback paradigms.

Biomeccanica del servizio e del diritto nel tennis: confronto fra atleti di livello di gioco differente

Il tennis è uno sport molto diffuso che negli ultimi trent’anni ha subito molti cambiamenti. Con l’avvento di nuovi materiali più leggeri e maneggevoli la velocità della palla è aumentata notevolmente, rendendo così necessario una modifica a livello tecnico dei colpi fondamentali. Dalla ricerca bibliografica sono emerse interessanti indicazioni su angoli e posizioni corporee ideali da mantenere durante le varie fasi dei colpi, confrontando i giocatori di altissimo livello. Non vi sono invece indicazioni per i maestri di tennis su quali siano i parametri più importanti da allenare a seconda del livello di gioco del proprio atleta. Lo scopo di questa tesi è quello di individuare quali siano le variabili tecniche che influenzano i colpi del diritto e del servizio confrontando atleti di genere differente, giocatori di livello di gioco diverso (esperti, intermedi, principianti) e dopo un anno di attività programmata. Confrontando giocatori adulti di genere diverso, è emerso che le principali differenze sono legate alle variabili di prestazione (velocità della palla e della racchetta) per entrambi i colpi. Questi dati sono simili a quelli riscontrati nel test del lancio della palla, un gesto non influenzato dalla tecnica del colpo. Le differenze tecniche di genere sono poco rilevanti ed attribuibili alla diversa interpretazione dei soggetti. Nel confronto di atleti di vario livello di gioco le variabili di prestazione presentano evidenti differenze, che possono essere messe in relazione con alcune differenze tecniche rilevate nei gesti specifici. Nel servizio i principianti tendono a direzionare l’arto superiore dominante verso la zona bersaglio, abducendo maggiormente la spalla ed avendo il centro della racchetta più a destra rispetto al polso. Inoltre, effettuano un caricamento minore degli arti inferiori, del tronco e del gomito. Per quanto riguarda il diritto si possono evidenziare queste differenze: l’arto superiore è sempre maggiormente esteso per il gruppo dei principianti; il tronco, nei giocatori più abili viene utilizzato in maniera più marcata, durante la fase di caricamento, in movimenti di torsione e di inclinazione laterale. Gli altri due gruppi hanno maggior difficoltà nell’eseguire queste azioni preparatorie, in particolare gli atleti principianti. Dopo un anno di attività programmata sono stati evidenziati miglioramenti prestativi. Anche dal punto di vista tecnico sono state notate delle differenze che possono spiegare il miglioramento della performance nei colpi. Nel servizio l’arto superiore si estende maggiormente per colpire la palla più in alto possibile. Nel diritto sono da sottolineare soprattutto i miglioramenti dei movimenti del tronco in torsione ed in inclinazione laterale. Quindi l’atleta si avvicina progressivamente ad un’esecuzione tecnica corretta. In conclusione, dal punto di vista tecnico non sono state rilevate grosse differenze tra i due generi che possano spiegare le differenze di performance. Perciò questa è legata più ad un fattore di forza che dovrà essere allenata con un programma specifico. Nel confronto fra i vari livelli di gioco e gli effetti di un anno di pratica si possono individuare variabili tecniche che mostrano differenze significative tra i gruppi sperimentali. Gli evoluti utilizzano tutto il corpo per effettuare dei colpi più potenti, utilizzando in maniera tecnicamente più valida gli arti inferiori, il tronco e l’arto superiore. I principianti utilizzano prevalentemente l’arto superiore con contributi meno evidenti degli altri segmenti. Dopo un anno di attività i soggetti esaminati hanno dimostrato di saper utilizzare meglio il tronco e l’arto superiore e ciò può spiegare il miglioramento della performance. Si può ipotizzare che, per il corretto utilizzo degli arti inferiori, sia necessario un tempo più lungo di apprendimento oppure un allenamento più specifico.

Knot theory and its applications

Nella tesi verranno presi in considerazione tre aspetti: si descriverà come la teoria dei nodi si sia sviluppata nel corso degli anni in relazione alle diverse scoperte scientifiche avvenute. Si potrà quindi subito avere una idea di come questa teoria sia estremamente connessa a diverse altre. Nel secondo capitolo ci si occuperà degli aspetti più formali di questa teoria. Si introdurrà il concetto di nodi equivalenti e di invariante dei nodi. Si definiranno diversi invarianti, dai più elementari, le mosse di Reidemeister, il numero di incroci e la tricolorabilità, fino ai polinomi invarianti, tra cui il polinomio di Alexander, il polinomio di Jones e quello di Kaufman. Infine si spiegheranno alcune applicazioni della teoria dei nodi in chimica, fisica e biologia. Sulla chimica, si definirà la chiralità molecolare e si mostrerà come la chiralità dei nodi possa essere utile nel determinare quella molecolare. In campo fisico, si mostrerà la relazione che esiste tra l'equazione di Yang-Baxter e i nodi. E in conclusione si mostrerà come modellare un importante processo biologico, la recombinazione del DNA, grazie alla teoria dei nodi.

Study on the regulation of mRNA expression of GABA transporters (GAT-1 and GAT-3) in rat brain

The submitted work concentrated on the study of mRNA expression of two distinct GABA transporters, GAT-1 and GAT-3, in the rat brain. For the detection and quantification of the chosen mRNAs, appropriate methods had to be established. Two methods, ribonuclease protection assay (RPA) and competitive RT-PCR were emloyed in the present study. Competitive RT-PCR worked out to be 20 times more sensitive as RPA. Unlike the sensitivity, the fidelity of both techniques was comparable with respect to their intra- and inter-assay variability.The basal mRNA levels of GAT-1 and GAT-3 were measured in various brain regions. Messenger RNAs for both transporters were detected in all tested brain regions. Depending on the region, the observed mRNA level for GAT-1 was 100-300 higher than for GAT-3. The GAT-1 mRNA levels were similar in all tested regions. The distribution of GAT-3 mRNA seemed to be more region specific. The strongest GAT-3 mRNA expression was detected in striatum, medulla oblongata and thalamus. The lowest levels of GAT-3 were in cortex frontalis and cerebellum.Furthermore, the mRNA expression for GAT-1 and GAT-3 was analysed under altered physiological conditions; in kindling model of epilepsy and also after long-term treatment drugs modulating GABAergic transmission. In kindling model of epilepsy, altered GABA transporter function was hypothesised by During and coworkers (During et al., 1995) after observed decrease in binding of nipecotic acid, a GAT ligand, in hippocampus of kindled animals. In the present work, the mRNA levels were measured in hippocampus and whole brain samples. Neither GAT-1 nor GAT-3 showed altered transcription in any tested region of kindled animals compared to controls. This leads to conclusion that an altered functionality of GABA transporters is involved in epilepsy rather than a change in their expression.The levels of GAT-1 and GAT-3 mRNAs were also measured in the brain of rats chronically treated with diazepam or zolpidem, GABAA receptor agonists. Prior to the molecular biology tests, behavioural analysis was carried out with chronically and acutely treated animals. In two tests, open field and elevated plus-maze, the basal activity exploration and anxiety-like behaviour were analysed. Zolpidem treatment increased exploratory activity. There were observed no differencies between chronically and acutely treated animals. Diazepam increased exploratory activity and decresed anxiety-like behaviour when applied acutely. This effect disappeard after chronic administration of diazepam. The loss of effect suggested a development of tolerance to effects of diazepam following long-term administration. Double treatment, acute injection of diazepam after chronic diazepam treatment, confirmed development of a tolerance to effects of diazepam. Also, the mRNAs for GAT-1 and GAT-3 were analysed in cortex frontalis, hippocampus, cerebellum and whole brain samples of chronically treated animals. The mRNA levels for any of tested GABA transporters did not show significant changes in any of tested region neither after diazepam nor zolpidem treatment. Therefore, changes in GAT-1 and GAT-3 transcription are probably not involved in adaptation of GABAergic system to long-term benzodiazepine administration and so in development of tolerance to benzodiazepines.

Monooxygenases involved in the n-alkanes metabolism by Rhodococcus sp. BCP1: molecular characterization and expression of alkB gene

Bioremediation implies the use of living organisms, primarily microorganisms, to convert environmental contaminants into less toxic forms. The impact of the consequences of hydrocarbon release in the environment maintain a high research interest in the study of microbial metabolisms associated with the biodegradation of aromatic and aliphatic hydrocarbons but also in the analysis of microbial enzymes that can convert petroleum substrates to value-added products. The studies described in this Thesis fall within the research field that directs the efforts into identifying gene/proteins involved in the catabolism of n-alkanes and into studying the regulatory mechanisms leading to their oxidation. In particular the studies were aimed at investigating the molecular aspects of the ability of Rhodococcus sp. BCP1 to grow on aliphatic hydrocarbons as sole carbon and energy sources. We studied the ability of Rhodococcus sp. BCP1 to grow on gaseous (C2-C4), liquid (C5-C16) and solid (C17-C28) n-alkanes that resulted to be biochemically correlated with the activity of one or more monooxygenases. In order to identify the alkane monooxygenase that is involved in the n-alkanes degradation pathway in Rhodococcus sp. BCP1, PCR-based methodology was applied by using degenerate primers targeting AlkB monooxygenase family members. As result, a chromosomal region, including the alkB gene cluster, was cloned from Rhodococcus sp. BCP1 genome. We characterized the products of this alkB gene cluster and the products of the orfs included in the flanking regions by comparative analysis with the homologues in the database. alkB gene expression studies were carried out by RT-PCR and by the construction of a promoter probe vector containing the lacZ gene downstream of the alkB promoter. B-galactosidase assays revealed the alkB promoter activity induced by n-alkanes and by n-alkanes metabolic products. Furthermore, the transcriptional start of alkB gene was determined by primer extension procedure. A proteomic approach was subsequently applied to compare the protein patterns expressed by BCP1 growing on n-butane, n-hexane, n-hexadecane or n-eicosane with the protein pattern expressed by BCP1 growing on succinate. The accumulation of enzymes specifically induced on n-alkanes was determined. These enzymes were identified by tandem mass spectrometry (LC/MS/MS). Finally, a prm gene, homologue to the gene family coding for soluble di-iron monooxygenases (SDIMOs), has been isolated from Rhodococcus sp. BCP1 genome. This gene product could be involved in the degradation of gaseous n-alkanes in this Rhodococcus strain. The versatility in utilizing hydrocarbons and the discovery of new remarkable metabolic activities outline the potential applications of this microorganism in environmental and industrial biotechnologies.

Processi di morfogenesi delle politiche sociali locali: le sfide della sussidiarietà e della riflessività

La tesi di Martina Visentin, dal titolo “Processi di morfogenesi delle politiche sociali locali: le sfide della sussidiarietà e della riflessività ”, intende analizzare le pratiche di sussidiarietà relative a due progetti di politica familiare nel contesto veneto. La sussidiarietà è intesa come modalità di lavoro entro queste progettualità, strettamente connessa alla riflessività dei servizi che vengono attuati. La tesi è suddivisa nel segente modo. Nela prima parte si esplora la dimensione teorica del principio di sussidiarietà. Tale contestualizzazione è utile per poter arrivare alla dimensione sociologica del concetto e comprendere la portata innovativa dell'attuazione del principio di sussidiarietà. Nella seconda parte si affronta il tema della trasformazione del welfare italiano attraverso lo sguardo dei servizi alla persona. Nello specifico, si evidenzia che, nella realizzazione di tali servizi, la valorizzazione della capacità riflessiva degli attori in gioco non deve mai essere mai essere data per scontata. Pur nella difficoltà e nella consapevolezza che questo implichi l'attuazione di una radicale revisione delle identità, delle funzioni degli attori in gioco (e la conseguente costruzione e riconoscimento di codici propri) e che tale sviluppo è possibile solo entro un quadro di nuova capacità riflessiva. Nella terza parte viene esposto lo studio di casi: I due studi di caso presentati sono: i) il progetto Politiche Familiari del Comune di Montebelluna (Tv) che ha l'obiettivo di promuovere e valorizzare la piena cittadinanza della famiglia; ii) il progetto 'Famiglie in rete', che prevede in tutto il territorio dell' U.l.s.s. n. 8 di Asolo (Tv) la promozione e la creazione di reti di solidarietà tra famiglie. Attraverso di essi si è voluto comprendere come gli attori in gioco debbano cambiare la loro identità e funzione per lavorare sussidiariamente. Infine, nelle conclusioni, vengono esposti i principali risultati della ricerca. Nel tracciare l'emergere di elementi morfostatici e morfogenetici (Archer 1995) si è tentata una valutazione della bontà dei progetti attraverso un'analisi comparativa dei nodi critici e delle potenzialità dei due casi.

I progetti di Oswald Mathias Ungers per la città di Treviri. Questioni di composizione architettonica

Abstract This PhD thesis focuses on two projects carried out by Oswald Mathias Ungers in the city of Trier. More specifi cally, this study focuses on the relationship between composition principles, architectural forms, historical context and the nature of the city where these buildings have been built. The works carried out by Ungers in Trier are unique experiences - if taken in this master’s works context - and each one of them refl ects - in its specifi c project and architectural composition theme - the results - in terms of design - of a complex research on the fundamentals of architecture carried out by Ungers in more than fi ve decades of his activity. The theoretical and compositional experiment aspect is one of the main subjects to defi ne these buildings in terms of architecture. This aspect is so crucial that it is possible to consider them as an example of radical and specifi c experiences, referred to a specifi c place and based on a specifi c theoretical corpus. More specifi cally, this study focuses on the design activity carried out by Ungers in this city, mainly between the 80s and 90s and in the fi rst decade of the 21st century. It puts forward an interpretation that does not only defi ne the essential features, elements and questions lying behind these two architectures, but fi rst and foremost analyzes the theoretical, methodological and compositional relationship between Ungers and Trier, his adopted city. An increasingly closer relationship between the architect and his city highlights the wider relationship network established between the place and the projects carried out by Ungers in this city and makes it possible to understand the importance of Trier in the work of this architect, in his education and in his way to see, think and make architecture. The projects analyzed - the Thermen am Forum Museum (1988-1996) and the Kaiserthermen entrance hall (2003-2007) - were analyzed in terms of their architectural composition in an attempt to highlight the poetry of these architectures and to fi nd out their progressive, rational - and therefore transmissible - character. This study is an attempt to assess and unveil the compositional themes characterizing these projects while detecting the compositional principles lying behind the works and verifying the design process through which such principles were translated into architecture. Looking at these works as architectural composition examples makes it possible to clarify Ungers’ hermeneutic relationship established with the city’s history and structure. More specifi cally, the main subject of this thesis is the relationship between the architect, his city and history in the architectural solutions offered by two exemplary case studies, which were both built and placed in the historical city center of Trier and both connected with the ancient core of the city. The Thermen am Forum Museum and the Kaiserthermen entrance hall projects are - though being developed at different times of Ungers’ architectural life and though being extremely different in terms of approach to their context, due to their architectural image - two works that can be compared with the historical heritage of the city and this makes them ideal examples of the relationship between architectural forms, history and environment.

Synthesis, characterization and conformational studies of arylbenzylmaleimides

From the discoveries of Pasteur, stereochemistry has played an increasingly important role in the chemical sciences. In particular conformational study of molecules with axial chirality is object of intense research. Through Dynamic-NMR analysis and simulation of the spectra, the energy rotational barriers value of conformers are obtained. When this barrier is high sufficiently, atropisomeric stable compounds can be reached. They can be separated and used in stereo-synthesis and in packing processes. 3,4-bis-aryl maleimides, in which the aromatic groups are sufficiently bulky, generate atropisomeric stable configurations, that can be isolated at room temperature. The assignment of absolute configurations is performed through ECD analysis and comparison with computational calculations. The biological activities of maleimide derivatives widen the field of atropisomers application also in biological systems.

Politiofeni regioregolari funzionalizzati per applicazioni fotovoltaiche

Studi preliminari condotti dal gruppo di ricerca presso il quale ho svolto il mio lavoro di tesi, avevano dimostrato che il poli[3-(6-bromoesil)tiofene] non regioregolare funzionalizzato con idrossifenilporfirina [TPPOH] può essere utilizzato con successo per la realizzazione di celle fotovoltaiche. Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale è stato quindi incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di un campione di poli[3-(6-bromoesil)tiofene] [PT6Br] ad elevata regioregolarità e sulla sua successiva funzionalizzazione con diverse percentuali di 5-(4-idrossifenil)-10,15,20-trifenilporfirina [TPPOH] per ottenere i copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfinil]esiltiofene)] [P(T6Br-co-T6TPP)], anch’essi con elevata percentuale di concatenamenti testa-coda, al fine di valutare se la regioregolarità del polimero sia in grado di migliorare l’efficienza fotovoltaica. Il campione che ha fornito i risultati migliori è stato poi ulteriormente testato eseguendo prove su celle trattate termicamente per tempi diversi, in modo tale da verificare come la durata del riscaldamento, che incide sull’organizzazione strutturale del materiale, influisca sulle prestazioni ottenibili dalla cella stessa. I prodotti polimerici sintetizzati sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (NMR, FT-IR, UV-Vis), ne sono determinate le proprietà termiche ed i pesi molecolari medi e la relativa distribuzione, mediante cromatografia a permeazione su gel (GPC). Le prestazioni delle celle fotovoltaiche realizzate utilizzando i copolimeri prodotti sono state misurate tramite un multimetro Keithley ed un Solar Simulator, che permette di riprodurre l’intero spettro della radiazione solare.