3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Diencephalic asymmetries: morphological, immunohistochemical and ultrastructural analysis of habenular nuclei in elasmobranchs and teleosts

The habenular nuclei are diencephalic structures present in Vertebrates and they form, with the associated fiber systems, a part of the system that connects the telencephalon to the ventral mesencephalon (Concha M. L. and Wilson S. W., 2001). In representative species of almost all classes of Vertebrates the habenular nuclei are asymmetric, both in terms of size and of neuronal and neurochemical organization, although different types of asymmetry follow different evolutionary courses. Previous studies have analyzed the spread and diversity of the asymmetry in species for which data are not clear (Kemali M. et al., 1980). Notwithstanding that, it’s still not totally understood the evolution of the phenomenon, and the ontogenetic mechanisms that have led to the habenular asymmetry development are not clear (Smeets W.J. et al., 1983). For the present study 14 species of Elasmobranchs and 15 species of Teleostean have been used. Brains removed from the animals have been fixed using 4% paraformaldehyde in phosphate buffer; brains have been analyzed with different tecniques, and I used histological, immunohistochemical and ultrastructural analysis to describe this asymmetry. My results confirm data previously obtained studying other Elasmobranchs species, in which the left habenula is larger than the right one; the Teleostean show some slightly differences regarding the size of the habenular ganglia, in some species, in which the left habenular nucleus is larger than the right. In the course of studies, a correlation between the habits of life and the diencephalic asymmetry seems to emerge: among the Teleostean analyzed, the species with benthic life (like Lepidorhombus boscii, Platichthys flesus, Solea vulgaris) seem to possess a slight asymmetry, analogous to the one of the Elasmobranchs, while in the other species (like Liza aurata, Anguilla anguilla, Trisopterus minutus) the habenulae are symmetrical. However, various aspects of the neuroanatomical asymmetries of the epithalamus have not been deepened in order to obtain a complete picture of the evolution of this phenomenon, and new searches are needed to examine the species without clear asymmetry, in order to understand the spread and the diversity of the asymmetry among the habenulae between the Vertebrates.

Il tocco pianistico: premesse storiche e sviluppi scientifici

“Il tocco pianistico: premesse storiche e sviluppi scientifici” si pone l’obiettivo di provare la politimbricità del pianoforte. A tal fine, ho indagato la relazione tra il gesto, la meccanica del pianoforte e il suono, problema sfiorato da alcuni maestri del Novecento, ma mai approfondito e sviscerato per ovvie ragioni riguardanti la mancanza di una tecnologia idonea e competenze difficili da trovare in una medesima persona. Per quest’ultima ragione mi sono avvalsa della collaborazione sia del Laboratorio di Anatomia Funzionale dell'Apparato Locomotore del Dipartimento di Morfologia Umana dell’Università di Milano, dove lavorano esperti delle più moderne tecnologie idonee alla registrazione del movimento, sia dell’ingegnere Alberto Amendola, docente a contratto di Acustica musicale presso l’Università di Parma per ciò che concerne l’analisi del suono e i rilievi acustici. La tesi si articola in due parti organizzate in quattro capitoli. Nel primo, La didattica pianistica nel primo trentennio del Novecento: il tocco e il timbro come parole chiave, dopo aver tracciato un quadro generale riguardante i concetti di ‘tocco’ e ‘timbro’ incontrati nei metodi e trattati del Sette/Ottocento, già affrontati nella tesi di laurea, procedo ad analizzare alcuni dei lavori più rappresentativi scritti tra la fine dell’Ottocento e gli anni Trenta del Novecento (The Leschetizky Method. A Guide to Fine and Correct Piano Playing di Malwine Brée, Über die physiologischen Fehler und die Umgestaltung der Klaviertechnik di Albert Maria Steinhausen, Die Grundlagen der Klaviertechnik di Rudolph Maria Breithaupt e The Phisiological Mechanics of Piano Technique di Otto Ortmann). Tali studi presentano una parte dedicata alle diverse modalità di produzione sonora e, quasi tutti, giungono ad una medesima conclusione: pur nella sua ricchezza, il pianoforte è uno strumento monotimbrico, dove la differenza tra i suoni è data dall’intensità e dall’agogica. Al fine di provare la politimbricità del pianoforte, il mio percorso di studi si è scontrato sia con la meccanica del pianoforte sia con l’acustica musicale. Ho fatto precedere quindi l’indagine scientifica, che confluisce nel capitolo IV, da una sezione in cui presento l’evoluzione della meccanica del pianoforte fino a giungere alla descrizione della meccanica moderna (capitolo II, Il Pianoforte: meccanica e modalità di produzione del suono), e da un’altra in cui affronto i fondamenti di acustica musicale, al fine di fornire al lettore i mezzi basilari per cimentarsi con la parte scientifica (capitolo III, Cenni di acustica musicale). Il capitolo IV è il resoconto organico e sistematico delle sperimentazioni svolte durante il dottorato presso il laboratorio di Anatomia funzionale dell’apparato locomotore dell’Università di Milano. La presentazione ripercorre necessariamente le tappe della ricerca considerata la novità assoluta dell’oggetto indagato. All’illustrazione dei dati di ogni fase segue sempre la discussione e l’interpretazione dei risultati per garantire la validità dell’esperimento. L’interesse della ricerca è stato condiviso oltre che dal dipartimento di Anatomia, anche dalla casa costruttrice di pianoforti Bechstein che ha costruito una meccanica speciale, e dalla ditta di pianoforti Angelo Fabbrini, che ha messo a disposizione un mezza coda Bechstein per effettuare i rilievi. Il capitolo IV, che rappresenta, dunque, il cuore della presente dissertazione dottorale, dimostra che il pianoforte è uno strumento politimbrico: mettendo in relazione il gesto pianistico, la reazione della meccanica e il suono è risultato che al movimento del martello, ripetibilmente diverso a seconda del tocco pianistico, corrisponde una reazione acustica che varia ripetibilmente in maniera differente a seconda del tocco.

Ruolo della fosfolipasi C-β1 nel differenziamento miogenico: identificazione di nuovi target nucleari

The expression of phospholipase C-β1 (PLC-β1) and cyclin D3 is highly induced during skeletal myoblast differentiation. We have previously shown that PLC-β1 activates cyclin D3 promoter during the differentiation of myoblasts to myotubes, indicating that PLC-β1 is a crucial regulator of mouse cyclin D3 gene. Here we report that PLC-β1 catalytic activity plays a role in the increase of cyclin D3 levels and in the induction of differentiation of C2C12 skeletal muscle cells. PLC-β1 mutational analysis revealed the importance of His331 and His378 for the catalytic activity. We show that following insulin administration, cyclin D3 mRNA levels are lower in cells overexpressing the PLC-β1 catalytically inactive form, as compared to wild type cells. We describe a novel signaling pathway elicited by PLC-β1 that modulates Activator Protein-1 (AP-1) activity. Indeed, gel mobility shift assays indicate that there is a c-jun binding site located in cyclin D3 promoter region specifically regulated by PLC-β1 and that c-jun binding activity is significantly increased by insulin stimulation and PLC-β1 overexpression. Moreover, mutation of c-jun/AP-1 binding site decreases the basal cyclin D3 promoter activity and eliminates its induction by insulin and PLC-β1 overexpression. Interestingly, we observed that the ectopic expression of the Inositol Polyphosphate Multikinase (IPMK) in C2C12 myoblasts enhances cyclin D3 gene expression and that the mutation of c-jun site in cyclin D3 promoter determines an impairment of IPMK-dependent promoter induction. These results indicate that PLC-β1 activates a c-jun/AP-1 target gene, i.e. cyclin D3, during myogenic differentiation through IPMK signaling.

Identificazione delle Lamine di tipo A come nuovi substrati della protein chinasi Akt/PKB

Akt (also called PKB) is a 63 kDa serine/threonine kinase involved in promotion of cell survival, proliferation a nd metabolic responses downstream the phosphoinositide-3-kinase (PI 3-kinase) signaling pathway. In resting cells, Akt is a predominantly cytosolic enzyme; however generation of PI 3-kinase lipid products recruits Akt to the plasma membrane, resulting in a conformational change which confers full enzymatic activity through the phosphorylation of the membrane-bound protein at two residues, Thr308, and Ser473. Activated Akt redistributes to cytoplasm and nucleus, where phosphorylation of specific substrates occurs. Both the presence and the activity of Akt in the nucleus have been described. An interesting mechanism that mediates nuclear translocation of Akt has been described in human mature T-cell leukemia: the product of TCL1 gene, Tcl1, interacts with the PH domain of phosphorylated Akt, thus driving Akt to the nucleus. In this context, Tcl1 may act as a direct transporter of Akt or may contribute to the formation of a complex that promotes the transport of active Akt to the nucleus, where it can phosphorylate nuclear substrates. A well described nuclear substrate if Foxo. IGF-1 triggers phosphorylation of Foxo by Akt inside the nucleus, where phospho-Foxo associates to 14.3.3 proteins that, in turn, promote its export to the cytoplasm where it is sequestered. Remarkably, Foxo phosphorylation by Akt has been shown to be a crucial event in Akt-dependent myogenesis. However, most Akt nuclear substrates have so far remained elusive, as well as nuclear Akt functions. This lack of information prompted us to undertake a search of substrates of Akt in the nucleus, by the combined use of 2D-separation/mass spectrometry and anti-Akt-phosphosubstrate antibody. This study presents evidence of A-type lamins as novel nuclear substrates of Akt. Lamins are type V intermediate filaments proteins found in the nucleus of higher eukaryotes where, together with lamin-binding proteins, they form the lamina at the nuclear envelope, providing mechanical stability for the nuclear membrane. By coimmunoprecipitation, it is demonstrated here that endogenous lamin A and Akt interact, and that A-type lamins are phosphorylated by Akt both in vitro and in vivo. Moreover, by phosphoaminoacid analysis and mutagenesis, it is further demonstrated that Akt phosphorylates lamin A at Ser404, and, more importantly, that while lamin A/C phosphorylation is stable throughout the cell cycle, phosphorylation of the precursor prelamin A becomes detectable as cells enter the G2 phase, picking at G2/M. This study also shows that lamin phosphorylation by Akt creates a binding site for 14.3.3 adaptors which, in turn, promote prelamin A degradation. While this mechanism is in agreement with a general role of Akt in the regulation of a subset of its substrates, opposite to what has been described, degradation is not mediated through a ubiquitination and proteasomal mechanism but through a lysosomal pathway, as indicated by the reverting action of the lysosomal inhibitor cloroquine. Phosphorylation is a key event in the mitotic breakdown of the nuclear lamina. However, the kinases and the precise sites of phosphorylation are scarcely known. Therefore, these results represent an important breakthrough in this very significant but understudied area. The phosphorylation of the precursor protein prelamin A and its subsequent degradation at G2/M, when both the nuclear envelop and the nuclear lamina disassemble, can be view as part of a mechanism to dispose off the precursor that is not needed in this precise context. The recently reported finding that patients affected by Emery-Dreifuss muscular dystrophy carry a mutation at Arg 401, in the Akt phosphorylation motif, open new perspective that warrant further investigation in this very important field.

Ruolo della PLCγ1 e della PKCε nel differenziamento miogenico

Phospholipase C (PLC) has been known to be a key effector protein in signal transduction pathway for cell proliferation and differentiation. Studies on signalling through the insulin/IGF-1 receptors in muscle differentiation have revealed that PLCγ1 is involved during this process and that both mRNA and protein levels were increased during myogenesis. Based on increasing signal transduction pathways that required both PLCγ1 and PKCε, we investigated its role in insulin stimulation of skeletal muscle differentiation. The precise effects of insulin on specific PKC isoforms are as yet unknown. Insulin stimulation produced a gradual increase in PKCε expression and activation of PKCε through skeletal muscle differentiation. By immunoprecipitation we have demonstrated that endogenous PLCγ1 and PKCε belong to the same immunocomplex that increase during through myogenic differentiation. Furthermore, the SH domain of PLCγ1 is involved in the protein complex and that its confine to the Golgi membrane. PLCγ1 has been involved in cyclin D3 up-regulation. By overexpression and silencing approach we have evidenced that PKCε modulate the espression of cyclin D3; the kinase dead form of PKCε doesn’t maintain the same ability. Using a reporter hGH vector we proved that PKCε acts at transcriptional level by affecting the -37 region of cyclin D3 promoter, as has been described previous for PLCγ1. In summary this data proved the involvement of PKCε in the regulation of cyclin D3 expression, together with PLCγ1.

Trasduzione del segnale inositide-dipendente nel carcinoma della mammella

Breast carcinoma, one of the most frequent malignancies in women, is a complex disease in which a number of different factors combine to drive pathogenesis. The biopathological characterization of these tumors is essential to determine their aggressiveness and to find the most appropriate therapy. As in others neoplasms, the deregulation of signal transduction pathways is frequently responsible for conferring selective biological advantages to the tumor. Phosphoinositides play an essential role in diverse cellular functions, their metabolism is highly active, and is tightly controlled. Among the enzymes implicated in this pathway, phospholipase C beta 1 (PLCβ1) is one of the key regulators, both at the cytoplasmic and the nuclear level. The PLCβ1 gene maps onto the short arm of chromosome 20, a region that has been shown to be altered in several solid tumors, including breast cancer. In the present study a FISH approach was used to investigate the genetic alterations of the PLCβ1 gene in various classes of breast cancer which differ in their invasiveness and proliferation status, according to their mitotic index. The overall aim was to find out whether this enzyme could be a suitable prognostic marker for this neoplasm. Our results show that 83% of cases had aneusomies at the 20p12 level, and the most frequent alteration is a gain in this specific locus. Indeed, we found that this amplification is not related to the invasion status since there were no differences in amplified tumor frequencies between in situ and invasive breast cancer. On the contrary, the gain of PLCβ1 was significantly related to the mitotic index (p = 0.001). To verify if the change in genetic dosage influences the expression of PLCβ1 we performed Real Time PCR and Immunohystochemical analysis. Our results confirmed that amplified tumors have higher levels of PLCβ1 mRNA, which is the sum of the two splicing isoforms 1a and 1b. On the other hand, even if protein levels were higher in the majority of cases compared to the nontumoral specimens, there were no significant associations between gain and overexpression. Finally, the significant association between the amplification of PLCβ1 and others important clinicopathological parameters, such as grading and hormonal receptors status, confirmed a correlation of this enzyme with the aggressiveness of breast cancer. This suggests that PLCβ1 has the potential to be a prognostic marker in these tumors. However, further work needs to be carried out to validate these preliminary findings.