Multiple stellar populations in globular clusters with photometry and low resolution spectroscopy

Our view of Globular Clusters has deeply changed in the last decade. Modern spectroscopic and photometric data have conclusively established that globulars are neither coeval nor monometallic, reopening the issue of the formation of such systems. Their formation is now schematized as a two-step process, during which the polluted matter from the more massive stars of a first generation gives birth, in the cluster innermost regions, to a second generation of stars with the characteristic signature of fully CNO-processed matter. To date, star-to-star variations in abundances of the light elements (C, N, O, Na) have been observed in stars of all evolutionary phases in all properly studied Galactic globular clusters. Multiple or broad evolutionary sequences have also been observed in nearly all the clusters that have been observed with good signal-to-noise in the appropriate photometric bands. The body of evidence suggests that spreads in light-element abundances can be fairly well traced by photometric indices including near ultraviolet passbands, as CNO abundance variations affect mainly wavelengths shorter than ~400 nm owing to the rise of some NH and CN molecular absorption bands. Here, we exploit this property of near ultraviolet photometry to trace internal chemical variations and combined it with low resolution spectroscopy aimed to derive carbon and nitrogen abundances in order to maximize the information on the multiple populations. This approach has been proven to be very effective in (i) detecting multiple population, (ii) characterizing their global properties (i.e., relative fraction of stars, location in the color-magnitude diagram, spatial distribution, and trends with cluster parameters) and (iii) precisely tagging their chemical properties (i.e., extension of the C-N anticorrelation, bimodalities in the N content).

The Universe 10 Billion years ago: Morphologies, Star-formation rates and Galactic-scale winds in z ∼ 2 Galaxies

This thesis is devoted to the study of the properties of high-redsfhit galaxies in the epoch 1 < z < 3, when a substantial fraction of galaxy mass was assembled, and when the evolution of the star-formation rate density peaked. Following a multi-perspective approach and using the most recent and high-quality data available (spectra, photometry and imaging), the morphologies and the star-formation properties of high-redsfhit galaxies were investigated. Through an accurate morphological analyses, the built up of the Hubble sequence was placed around z ~ 2.5. High-redshift galaxies appear, in general, much more irregular and asymmetric than local ones. Moreover, the occurrence of morphological k-­correction is less pronounced than in the local Universe. Different star-formation rate indicators were also studied. The comparison of ultra-violet and optical based estimates, with the values derived from infra-red luminosity showed that the traditional way of addressing the dust obscuration is problematic, at high-redshifts, and new models of dust geometry and composition are required. Finally, by means of stacking techniques applied to rest-frame ultra-violet spectra of star-forming galaxies at z~2, the warm phase of galactic-scale outflows was studied. Evidence was found of escaping gas at velocities of ~ 100 km/s. Studying the correlation of inter-­stellar absorption lines equivalent widths with galaxy physical properties, the intensity of the outflow-related spectral features was proven to depend strongly on a combination of the velocity dispersion of the gas and its geometry.

Chemical and kinematical properties of Blue Straggler stars in Galactic globular clusters

Blue straggler stars (BSSs) are brighter and bluer (hotter) than the main-sequence (MS) turnoff and they are known to be more massive than MS stars.Two main scenarios for their formation have been proposed:collision-induced stellar mergers (COL-BSSs),or mass-transfer in binary systems (MT-BSSs).Depleted surface abundances of C and O are expected for MT-BSSs,whereas no chemical anomalies are predicted for COL-BSSs.Both MT- and COL-BSSs should rotate fast, but braking mechanisms may intervene with efficiencies and time-scales not well known yet,thus preventing a clear prediction of the expected rotational velocities.Within this context,an extensive survey is ongoing by using the multi-object spectrograph FLAMES@VLT,with the aim to obtain abundance patterns and rotational velocities for representative samples of BSSs in several Galactic GCs.A sub-population of CO-depleted BSSs has been identified in 47 Tuc,with only one fast rotating star detected.For this PhD Thesis work I analyzed FLAMES spectra of more than 130 BSSs in four GCs:M4,NGC 6397,M30 and ω Centauri.This is the largest sample of BSSs spectroscopically investigated so far.Hints of CO depletion have been observed in only 4-5 cases (in M30 and ω Centauri),suggesting either that the majority of BSSs have a collisional origin,or that the CO-depletion is a transient phenomenon.Unfortunately,no conclusions in terms of formation mechanism could be drawn in a large number of cases,because of the effects of radiative levitation. Remarkably,however,this is the first time that evidence of radiative levitation is found in BSSs hotter than 8200 K.Finally, we also discovered the largest fractions of fast rotating BSSs ever observed in any GCs:40% in M4 and 30% in ω Centauri.While not solving the problem of BSS formation,these results provide invaluable information about the BSS physical properties,which is crucial to build realistic models of their evolution.

Multilevel Analysis in Household Survey: An Application to Health Condition Data

The aim of this thesis is to apply multilevel regression model in context of household surveys. Hierarchical structure in this type of data is characterized by many small groups. In last years comparative and multilevel analysis in the field of perceived health have grown in size. The purpose of this thesis is to develop a multilevel analysis with three level of hierarchy for Physical Component Summary outcome to: evaluate magnitude of within and between variance at each level (individual, household and municipality); explore which covariates affect on perceived physical health at each level; compare model-based and design-based approach in order to establish informativeness of sampling design; estimate a quantile regression for hierarchical data. The target population are the Italian residents aged 18 years and older. Our study shows a high degree of homogeneity within level 1 units belonging from the same group, with an intraclass correlation of 27% in a level-2 null model. Almost all variance is explained by level 1 covariates. In fact, in our model the explanatory variables having more impact on the outcome are disability, unable to work, age and chronic diseases (18 pathologies). An additional analysis are performed by using novel procedure of analysis :"Linear Quantile Mixed Model", named "Multilevel Linear Quantile Regression", estimate. This give us the possibility to describe more generally the conditional distribution of the response through the estimation of its quantiles, while accounting for the dependence among the observations. This has represented a great advantage of our models with respect to classic multilevel regression. The median regression with random effects reveals to be more efficient than the mean regression in representation of the outcome central tendency. A more detailed analysis of the conditional distribution of the response on other quantiles highlighted a differential effect of some covariate along the distribution.

The challenges and the limitations in Life Cycle Impact Assessment for metal oxide nanoparticles, a case study on nano- TiO2

Life Cycle Assessment (LCA) is a chain-oriented tool to evaluate the environment performance of products focussing on the entire life cycle of these products: from the extraction of resources, via manufacturing and use, to the final processing of the disposed products. Through all these stages consumption of resources and pollutant releases to air, water, soil are identified and quantified in Life Cycle Inventory (LCI) analysis. Subsequently to the LCI phase follows the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) phase; that has the purpose to convert resource consumptions and pollutant releases in environmental impacts. The LCIA aims to model and to evaluate environmental issues, called impact categories. Several reports emphasises the importance of LCA in the field of ENMs. The ENMs offer enormous potential for the development of new products and application. There are however unanswered questions about the impacts of ENMs on human health and the environment. In the last decade the increasing production, use and consumption of nanoproducts, with a consequent release into the environment, has accentuated the obligation to ensure that potential risks are adequately understood to protect both human health and environment. Due to its holistic and comprehensive assessment, LCA is an essential tool evaluate, understand and manage the environmental and health effects of nanotechnology. The evaluation of health and environmental impacts of nanotechnologies, throughout the whole of their life-cycle by using LCA methodology. This is due to the lack of knowledge in relation to risk assessment. In fact, to date, the knowledge on human and environmental exposure to nanomaterials, such ENPs is limited. This bottleneck is reflected into LCA where characterisation models and consequently characterisation factors for ENPs are missed. The PhD project aims to assess limitations and challenges of the freshwater aquatic ecotoxicity potential evaluation in LCIA phase for ENPs and in particular nanoparticles as n-TiO2.

Andamenti temporali, display comportamentali, attività respiratoria e profili endocrini in Odobenus rosmarus presso l'Oceanogràfic di Valencia

Il presente studio è stato progettato e articolato includendo tre approcci disciplinari sviluppati parallelamente al fine di ottenere dati etologici, endocrinologici, e respiratori riguardo cinque esemplari di trichecho del pacifico (Odobenus rosmarus) ospitati presso l’Oceanografic di Valencia. Il periodo di campionamento si è sviluppato in un lasso di tempo di 12 settimane durante le quali sono stati raccolti dati riguardo i tre ambiti di studio. La raccolta di dati etologici è stata effettuata per mezzo di supporto video il quale ha permesso di generare un totale di 72 ore di filmato. Attraverso l’analisi del materiale multimediale è stato possibile elaborare un catalogo comportamentale con annesso un catalogo video atto alla semplificazione di riconoscimento dei vari moduli comportamentali; la revisione della documentazione video è stata effettuata mediante il software Noldus “Observer 5.0” che si è resa necessaria per la quantificazione dei singoli comportamenti osservati durante il periodo di studio. Succesivamente i dati ottenuti sono stati sottoposti ad analisi statistica al fine di poter valutare le differenze e le analogie comportamentali dei due soggetti principali nell’arco della singola giornata e durante le dodici settimane di analisi. In concomitanza col campionamento video, si è proceduto ialla raccolta dei dati relativi ai pattern respiratori al fine di valutare la durata delle apnee in ambiente controllato. In seguito è stato effettuato un approccio endocrinologico al fine di valutare la possibilità di rilevare e quantificare glucorticoidi quali cortisolo, testosterone e progesterone presenti nei campioni. Si è ricorso alla raccolta di materiale salivare in alternativa al campionamento ematico in modo da stabilire l’effettiva efficacia del metodo. I campioni sono stati poi processati mediante RIA e i livelli ormonali ottenuti sono stati utilizzati per effettuare una comparazione con il manifestarsi dei moduli comportamentali osservati è analizzarne le correlazioni presenti e osservarne gli effetti sull’espressione etologica.

Ultrasuoni focalizzati guidati da imaging di risonanza magnetica: studio delle potenziali applicazioni in campo scheletrico, esempio n.1 - osteoma osteoide

La chirurgia con ultrasuoni focalizzati guidati da MRI (MR-g-FUS) è un trattamento di minima invasività, guidato dal più sofisticato strumento di imaging a disposizione, che utilizza a scopo diagnostico e terapeutico forme di energia non ionizzante. Le sue caratteristiche portano a pensare un suo possibile e promettente utilizzo in numerose aree della patologia umana, in particolare scheletrica. L'osteoma osteoide affligge frequentemente pazienti di giovane età, è una patologia benigna, con origine ed evoluzione non chiare, e trova nella termoablazione con radiofrequenza continua sotto guida CT (CT-g-RFA) il suo trattamento di elezione. Questo lavoro ha valutato l’efficacia, gli effetti e la sicurezza del trattamento dell’osteoma osteoide con MR-g-FUS. Sono stati presi in considerazione pazienti arruolati per MR-g-FUS e, come gruppo di controllo, pazienti sottoposti a CT-g-RFA, che hanno raggiunto un follow-up minimo di 18 mesi (rispettivamente 6 e 24 pazienti). Due pazienti erano stati esclusi dal trattamento MR-g-FUS per claustrofobia (2/8). Tutti i trattamenti sono stati portati a termine con successo tecnico e clinico. Non sono state registrate complicanze o eventi avversi correlati all’anestesia o alle procedure di trattamento, e tutti i pazienti sono stati dimessi regolarmente dopo 12-24 ore. La durata media dei trattamenti di MR-g-FUS è stata di 40±21 min. Da valori di score VAS pre-trattamento oscillanti tra 6 e 10 (su scala 0-10), i trattamenti hanno condotto tutti i pazienti a VAS 0 (senza integrazioni farmacologiche). Nessun paziente ha manifestato segni di persistenza di malattia o di recidiva al follow-up. Nonostante la neurolisi e la risoluzione dei sintomi, la perfusione del nidus è stata ritrovata ancora presente in oltre il 70% dei casi sottoposti a MR-g-FUS (4/6 pazienti). I risultati derivati da un'analisi estesa a pazienti più recentemente arruolati confermano questi dati. Il trattamento con MR-g-FUS sembra essere efficace e sicuro nel risolvere la sintomatologia dell'osteoma osteoide.

Analisi di problematiche d'urto per macchine semoventi ed individuazione di soluzioni atte a controllarne gli effetti

Nel presente elaborato di tesi vengono analizzate le principali casistiche d’urto che possono affliggere i robot semoventi per l’imballaggio in grandi magazzini industriali; inoltre vengono proposti miglioramenti tecnico-costruttivi per contenere i danni che i frequenti impatti contro oggetti o macchinari possono provocare. Nello specifico verrà dimensionato un paraurti anteriore in grado di resistere ad urti con macchinari di elevato peso.

Simulatore d’alba come possibile contromisura al social jetlag in adolescenza

L’obiettivo del presente progetto di ricerca era determinare se l’utilizzo non clinico del simulatore d’alba (un dispositivo che emette luce in graduale aumento prima del risveglio), basato su specifiche conoscenze cronobiologiche, potesse ridurre alcune delle conseguenze del social jetlag, in studenti di scuola secondaria di secondo grado. A tal fine, sono stati valutati gli effetti del simulatore d’alba su tono dell’umore (valutato soggettivamente tramite la Global and Vigor Affect Scale-GVA), livelli di attivazione (valutati soggettivamente tramite la GVA), qualità/quantità di sonno (valutate oggettivamente e soggettivamente tramite attigrafia e Mini Sleep Questionnaire-MSQ), architettura del sonno (valutata oggettivamente tramite Zeo®) ed efficienza dei tre network attentivi (alerting, orienting ed executive), valutata oggettivamente tramite l’Attention Network Test (ANT). In totale, hanno preso parte alla ricerca 56 adolescenti (24 femmine e 32 maschi), frequentanti due istituti di scuola secondaria di secondo grado nella città di Cesena, la cui età media era di 17.68 anni (range d’età 15-20 anni). Ad ogni studente è stata richiesta una partecipazione di 5 settimane consecutive ed il disegno di ricerca prevedeva 3 condizioni sperimentali: baseline, simulatore d’alba e controllo. All’MSQ, in seguito all’utilizzo del simulatore d’alba, sono state osservate una minore percezione di sonnolenza diurna, una frequenza inferiore di risvegli notturni ed una riduzione del numero di partecipanti che presentavano una cattiva qualità della veglia. All’ANT, è stato documentato un significativo miglioramento dell’efficienza del network attentivo dell’alerting, successivo all’impiego del simulatore d’alba, dovuto ad una maggiore reattività dei partecipanti in seguito alla comparsa del double cue, che anticipava la presentazione del target (freccia centrale di cui i partecipanti dovevano giudicare la direzione). Tali risultati convergono nell’evidenziare la capacità del simulatore d’alba di esercitare un effetto attivante/stimolante, mostrando dunque come esso possa essere considerato uno strumento potenzialmente utilizzabile quale contromisura al social jetlag in adolescenza.

Computational Modeling of Cardiac Excitation-Contraction Coupling in Physiological and Pathological Conditions

The cardiomyocyte is a complex biological system where many mechanisms interact non-linearly to regulate the coupling between electrical excitation and mechanical contraction. For this reason, the development of mathematical models is fundamental in the field of cardiac electrophysiology, where the use of computational tools has become complementary to the classical experimentation. My doctoral research has been focusing on the development of such models for investigating the regulation of ventricular excitation-contraction coupling at the single cell level. In particular, the following researches are presented in this thesis: 1) Study of the unexpected deleterious effect of a Na channel blocker on a long QT syndrome type 3 patient. Experimental results were used to tune a Na current model that recapitulates the effect of the mutation and the treatment, in order to investigate how these influence the human action potential. Our research suggested that the analysis of the clinical phenotype is not sufficient for recommending drugs to patients carrying mutations with undefined electrophysiological properties. 2) Development of a model of L-type Ca channel inactivation in rabbit myocytes to faithfully reproduce the relative roles of voltage- and Ca-dependent inactivation. The model was applied to the analysis of Ca current inactivation kinetics during normal and abnormal repolarization, and predicts arrhythmogenic activity when inhibiting Ca-dependent inactivation, which is the predominant mechanism in physiological conditions. 3) Analysis of the arrhythmogenic consequences of the crosstalk between β-adrenergic and Ca-calmodulin dependent protein kinase signaling pathways. The descriptions of the two regulatory mechanisms, both enhanced in heart failure, were integrated into a novel murine action potential model to investigate how they concur to the development of cardiac arrhythmias. These studies show how mathematical modeling is suitable to provide new insights into the mechanisms underlying cardiac excitation-contraction coupling and arrhythmogenesis.

An fmri study of brain functional connectivity in parkinson's disease patients

Argomento del presente lavoro è l’analisi di dati fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) nell’ambito di uno studio EEG-fMRI su pazienti affetti da malattia di Parkinson idiopatica. L’EEG-fMRI combina due diverse tecniche per lo studio in vivo dell’attività cerebrale: l'elettroencefalografia (EEG) e la risonanza magnetica funzionale. La prima registra l’attività elettrica dei neuroni corticali con ottima risoluzione temporale; la seconda misura indirettamente l’attività neuronale registrando gli effetti metabolici ad essa correlati, con buona risoluzione spaziale. L’acquisizione simultanea e la combinazione dei due tipi di dati permettono di sfruttare i vantaggi di ciascuna tecnica. Scopo dello studio è l’indagine della connettività funzionale cerebrale in condizioni di riposo in pazienti con malattia di Parkinson idiopatica ad uno stadio precoce. In particolare, l’interesse è focalizzato sulle variazioni della connettività con aree motorie primarie e supplementari in seguito alla somministrazione della terapia dopaminergica. Le quattro fasi principali dell’analisi dei dati sono la correzione del rumore fisiologico, il pre-processing usuale dei dati fMRI, l’analisi di connettività “seed-based “ e la combinazione dei dati relativi ad ogni paziente in un’analisi statistica di gruppo. Usando ’elettrocardiogramma misurato contestualmente all’EEG ed una stima dell’attività respiratoria, è stata effettuata la correzione del rumore fisiologico, ottenendo risultati consistenti con la letteratura. L’analisi di connettività fMRI ha mostrato un aumento significativo della connettività dopo la somministrazione della terapia: in particolare, si è riscontrato che le aree cerebrali maggiormente connesse alle aree motorie sono quelle coinvolte nel network sensorimotorio, nel network attentivo e nel default mode network. Questi risultati suggeriscono che la terapia dopaminergica, oltre ad avere un effetto positivo sulle performance motorie durante l’esecuzione del movimento, inizia ad agire anche in condizioni di riposo, migliorando le funzioni attentive ed esecutive, componenti integranti della fase preparatoria del movimento. Nel prossimo futuro questi risultati verranno combinati con quelli ottenuti dall’analisi dei dati EEG.

Comparing genetic and linguistic diversity in African populations with a focus on the Khoisan of southern Africa

The interaction between disciplines in the study of human population history is of primary importance, profiting from the biological and cultural characteristics of humankind. In fact, data from genetics, linguistics, archaeology and cultural anthropology can be combined to allow for a broader research perspective. This multidisciplinary approach is here applied to the study of the prehistory of sub-Saharan African populations: in this continent, where Homo sapiens originally started his evolution and diversification, the understanding of the patterns of human variation has a crucial relevance. For this dissertation, molecular data is interpreted and complemented with a major contribution from linguistics: linguistic data are compared to the genetic data and the research questions are contextualized within a linguistic perspective. In the four articles proposed, we analyze Y chromosome SNPs and STRs profiles and full mtDNA genomes on a representative number of samples to investigate key questions of African human variability. Some of these questions address i) the amount of genetic variation on a continental scale and the effects of the widespread migration of Bantu speakers, ii) the extent of ancient population structure, which has been lost in present day populations, iii) the colonization of the southern edge of the continent together with the degree of population contact/replacement, and iv) the prehistory of the diverse Khoisan ethnolinguistic groups, who were traditionally understudied despite representing one of the most ancient divergences of modern human phylogeny. Our results uncover a deep level of genetic structure within the continent and a multilayered pattern of contact between populations. These case studies represent a valuable contribution to the debate on our prehistory and open up further research threads.

Studio dei semiochimici coinvolti nelle interazioni intra- e inter-specifiche in Gonocerus acuteangulatus (Goeze) (Heteroptera: Coreidae) in vista di un loro impiego nella difesa del nocciolo.

Gonocerus acuteangulatus (Hemiptera: Coreidae) è considerato uno dei principali fitofagi del nocciolo, in grado di causare con l’attività trofica pesanti perdite quali-quantitative di produzione. Nel triennio sono state quindi condotte indagini sulla bioetologia di G. acuteangulatus volte a: I) studiare comportamento alimentare ed effetti sulla produzione corilicola, II) identificare i feromoni e valutarne l’attività mediante biosaggi fisiologici e comportamentali in laboratorio, semi-campo e campo, III) rilevare le piante ospiti alternative al nocciolo. Mediante isolamento di adulti del coreide su rami di nocciolo con frutti è stata confermata l’assenza di correlazione fra entità del danno e numerosità degli individui presenti in corileto. Dalle analisi sensoriali su nocciole sane e danneggiate è emerso che le alterazioni causate delle punture di nutrizione sono rese più evidenti da conservazione e tostatura. Variazioni di tempi e temperature di tostatura potrebbero mitigare gli effetti del cimiciato. Nello studio dei feromoni, G. acuteangulatus, molto mobile nell’ambiente, è risultato poco adatto ai biosaggi in condizioni artificiali, come quelle in olfattometro e semi-campo. Le femmine sono tuttavia apparse attrattive per adulti di entrambi i sessi, mentre la miscela feromonale sintetizzata ha mostrato un’azione attrattiva, seppure non costante. Pertanto, ulteriori ripetizioni sono necessarie per convalidare questi risultati preliminari, modificando le condizioni di saggio in relazione alle caratteristiche della specie. Infine è stata accertata la preferenza del fitofago per alcune specie vegetali rispetto al nocciolo. Nel corso del triennio, popolazioni molto consistenti di G. acuteangulatus sono state rilevate su bosso, ciliegio di Santa Lucia, rosa selvatica, sanguinello, spino cervino, in corrispondenza del periodo di comparsa e maturazione dei frutti. Nell’impostazione di una strategia di difesa a basso impatto ambientale, l’attrattività di queste piante, in sinergia con eventuali feromoni di aggregazione, potrebbe essere utilmente sfruttata, per mantenere il coreide lontano dalla coltura.

Un estere misto degli acidi ialuronico, butirrico e retinoico è in grado di agire come rimodellante inverso della matrice cellulare sui fibroblasti cardiaci

Le cardiomiopatie che insorgono a seguito di infarto miocardico sono causa di elevata morbilità e mortalità dalle importanti ricadute cliniche, dovute alle patologie insorgenti a seguito dell’ischemia e della cicatrice post-infatuale. Il ventricolo sinistro danneggiato va incontro a un rimodellamento progressivo, con perdita di cardiomiociti e proliferazione dei fibroblasti, risultante in un’architettura e in una funzionalità dell’organo distorta. I fibroblasti cardiaci sono i principali responsabili della fibrosi, il processo di cicatrizzazione caratterizzato da un’eccessiva deposizione di matrice extracellulare (ECM). Negli ultimi anni gli sforzi del nostro laboratorio sono stati volti a cercare di risolvere questo problema, attraverso l’uso di una molecola da noi sintetizzata, un estere misto degli acidi butirrico, retinoico e ialuronico, HBR, capace di commissionare le cellule staminali in senso cardio-vascolare. Studi in vivo mostrano come l’iniezione diretta di HBR in cuori di animali sottoposti a infarto sperimentale, sia in grado, tra le atre cose, di diminuire la fibrosi cardiaca. Sulla base di questa evidenza abbiamo cercato di capire come e se HBR agisse direttamente sui fibroblasti, indagando i meccanismi coinvolti nella riduzione della fibrosi in vivo.. In questa tesi abbiamo dimostrato come HBR abbia un’azione diretta su fibroblasti, inibendone la proliferazione, senza effetti citotossici. Inoltre HBR induce una significativa riduzione della deposizione di collagene.. HBR agisce sull’espressione genica e sulla sintesi proteica, sopprimendo la trascrizione dei geni del collagene, così come dell’a-sma, inibendo la trasizione fibroblasti-miofibroblasti, e promuovendo la vasculogenesi (attraverso VEGF), la chemoattrazione di cellule staminali (attraverso SDF) e un’attività antifibrotica (inibendo CTGF). HBR sembra modulare l’espressione genica agendo direttamente sulle HDAC, probabilmente grazie alla subunità BU. L’abilità di HBR di ridurre la fibrosi post-infartuale, come dimostrato dai nostri studi in vivo ed in vitro, apre la strada a importanti prospettive terapeutiche.