Identification of neuronal alterations induced by Shank3 mutations using iPS cells from Phelan-McDermid Patients' Fibroblasts

A família de proteínas Shank é o principal conjunto de proteinas de suporte e está localizada na densidade pós-sináptica das sinapses excitatórias. Existem 3 genes na família Shank, Shank1, Shank2 e Shank3 e são caracterizados por múltiplos domínios repetidos de anquirina próximo ao N-terminal seguido pelos domínios Src homologo 3 e PDZ, uma região longa rica em prolina e um domínio de motivo α estéril próximo ao C-terminal. Shank proteínas conectam duas subunidades de receptors glutamatérgicos, recetores NMDA e recetores metabotrópicos de glutamato do tipo-I (mGluRs). O domínio PDZ da Shank conecta-se ao C-terminal do GKAP e este, liga-se, ao complexo recetor PSD-95-NMDA. Por outro lado, a proteína Homer interage com o domínio rico em prolina para confirmar a associação entre a proteína Shank com o mGluR tipo-I. A proteína específica em estudo, Shank3, é haploinsuficiente em pacientes com sindrome Phelan-McDermid devido à deleções no braço comprido do cromossoma 22 levando à danos intelectuais, ausência ou atraso no discurso, comportamentos semelhantes ao autismo, hipotonia e características dismórficas. Neste trabalho, investigamos o papel da Shank3 na função sináptica para compreender a relação entre alterações nesta proteína e as características neurológicas presente em Pacientes com síndrome Phelan-McDermid. Foram utilizados dois modelos diferentes, ratinhos knockout Shank3 e hiPSC de pacientes com PMS. Ratinhos geneticamente modificados são ferramentas uteis no estudo de genes e na compreensão dos mecanismos que experiências in vitro não são capazes de reproduzir, mas de maneira a compreender melhor as patologias humanas, decidimos trabalhar também com células humanas. Os fibroblastos dos pacientes com síndrome Phelan-McDermid fora reprogramados em hiPS cells, diferenciados em neurónios e comparados com os neurónios obtidos a partir de doadores saudavéis e da mesma idade. A reprogramação em iPSC foi realizada por infecção de lentivirus com quatro genes de reprogramação OCT4, c-MYC, SOX2 e KFL4 para posteriormente serem diferenciados em neurónios, com cada passo sendo positivamente confirmado através de marcadores neuronais. Através dos neurónios diferenciados, analisamos a expressão de proteínas sinápticas. Pacientes com haploinsuficiencia na proteína Shank3 apresentam níveis elevados de proteína mGluR5 e decrescidos de proteína Homer sugerindo que a haploinsuficiencia leva a desregulação do complexo mGluR5-Homer-Shank3 conduzindo também, a defeitos na maturação sináptica. Assim, a expressão da proteína mGluR5 está alterada nos pacientes com PMS podendo estar relacionada com defeitos encontrados na diferenciação neuronal e maturação sináptica observados nos neurónios de pacientes. Conclusivamente, iPS cells representam um modelo fundamental no estudo da proteína Shank3 e a sua influência no sindrome de Phelan-McDermid.

Botulinum neurotoxin type A blocks the morphological changes induced by chemical stimulation on the presynaptic membrane of Torpedo synaptosomes.

The action of botulinum neurotoxin on acetylcholine release, and on the structural changes at the presynaptic membrane associated with the transmitter release,was studied by using a subcellular fraction of cholinergic nerve terminals (synaptosomes) isolated from the Torpedo electric organ. Acetylcholine and ATP release were continuously monitored by chemiluminescent methods.To catch the membrane morphological changes, the quick-freezing method was applied. Our results show that botulinum neurotoxin inhibits the release of acetylcholine from these isolated nerve terminals in a dose-dependent manner, whereas ATP release is not affected. The maximal inhibition (70%) is achieved at neurotoxin concentrations as low as 125 pM with an incubation time of 6 min. This effect is not linked to an alteration of the integrity of the synaptosomes since, after poisoning by botulinum neurotoxin type A, they show a nonmodified occluded lactate dehydrogenase activity. Moreover, membrane potential is not altered by the toxin with respect to the control, either in resting condition or after potassium depolarization. In addition to acetylcholine release inhibition, botulinum neurotoxin blocks the rearrangement of the presynaptic intramembrane particles induced by potassium stimulation. The action of botulinum neurotoxin suggests that the intramembrane particle rearrangement is related to the acetylcholine secretion induced by potassium stimulation in synaptosomes isolated from the electric organ of Torpedo marmorata.

Model-Free Reconstruction of Excitatory Neuronal Connectivity from Calcium Imaging Signals

A systematic assessment of global neural network connectivity through direct electrophysiological assays has remained technically infeasible, even in simpler systems like dissociated neuronal cultures. We introduce an improved algorithmic approach based on Transfer Entropy to reconstruct structural connectivity from network activity monitored through calcium imaging. We focus in this study on the inference of excitatory synaptic links. Based on information theory, our method requires no prior assumptions on the statistics of neuronal firing and neuronal connections. The performance of our algorithm is benchmarked on surrogate time series of calcium fluorescence generated by the simulated dynamics of a network with known ground-truth topology. We find that the functional network topology revealed by Transfer Entropy depends qualitatively on the time-dependent dynamic state of the network (bursting or non-bursting). Thus by conditioning with respect to the global mean activity, we improve the performance of our method. This allows us to focus the analysis to specific dynamical regimes of the network in which the inferred functional connectivity is shaped by monosynaptic excitatory connections, rather than by collective synchrony. Our method can discriminate between actual causal influences between neurons and spurious non-causal correlations due to light scattering artifacts, which inherently affect the quality of fluorescence imaging. Compared to other reconstruction strategies such as cross-correlation or Granger Causality methods, our method based on improved Transfer Entropy is remarkably more accurate. In particular, it provides a good estimation of the excitatory network clustering coefficient, allowing for discrimination between weakly and strongly clustered topologies. Finally, we demonstrate the applicability of our method to analyses of real recordings of in vitro disinhibited cortical cultures where we suggest that excitatory connections are characterized by an elevated level of clustering compared to a random graph (although not extreme) and can be markedly non-local.

Reelin regulates the development and synaptogenesis of the layer-specific entorhino-hippocampal connections

Here we examine the role of Reelin, an extracellular protein involved in neuronal migration, in the formation of hippocampal connections. Both at prenatal and postnatal stages, the general laminar and topographic distribution of entorhinal projections is preserved in the hippocampus of reeler mutant mice, in the absence of Reelin. However, developing and adult entorhinal afferents show severe alterations, including increased numbers of misrouted fibers and the formation of abnormal patches of termination from the medial and lateral entorhinal cortices. At perinatal stages, single entorhinal axons in reeler mice are grouped into thick bundles, and they have decreased axonal branching and decreased extension of axon collaterals. We also show that the number of entorhino-hippocampal synapses is lower in reeler mice than in control animals during development. Studies performed in mixed entorhino-hippocampal co-cultures combining slices from reeler and wild-type mice indicate that these abnormalities are caused by the lack of Reelin in the target hippocampus. These findings imply that Reelin fulfills a modulatory role during the formation of layer-specific and topographic connections in the hippocampus. They also suggest that Reelin promotes maturation of single fibers and synaptogenesis by entorhinal afferents.

TrkB and TrkC signaling are required for maturation and synaptogenesis of hippocampal connections

Recent studies have suggested a role for neurotrophins in the growth and refinement of neural connections, in dendritic growth, and in activity-dependent adult plasticity. To unravel the role of endogenous neurotrophins in the development of neural connections in the CNS, we studied the ontogeny of hippocampal afferents intrkB (¿/¿) and trkC (¿/¿) mice. Injections of lipophilic tracers in the entorhinal cortex and hippocampus of newborn mutant mice showed that the ingrowth of entorhinal and commissural/associational afferents to the hippocampus was not affected by these mutations. Similarly, injections of biocytin in postnatal mutant mice (P10¿P16) did not reveal major differences in the topographic patterns of hippocampal connections. In contrast, quantification of biocytin-filled axons showed that commissural and entorhinal afferents have a reduced number of axon collaterals (21¿49%) and decreased densities of axonal varicosities (8¿17%) in both trkB (¿/¿) and trkC (¿/¿) mice. In addition, electron microscopic analyses showed thattrkB (¿/¿) and trkC (¿/¿) mice have lower densities of synaptic contacts and important structural alterations of presynaptic boutons, such as decreased density of synaptic vesicles. Finally, immunocytochemical studies revealed a reduced expression of the synaptic-associated proteins responsible for synaptic vesicle exocytosis and neurotransmitter release (v-SNAREs and t-SNAREs), especially in trkB (¿/¿) mice. We conclude that neither trkB nor trkC genes are essential for the ingrowth or layer-specific targeting of hippocampal connections, although the lack of these receptors results in reduced axonal arborization and synaptic density, which indicates a role for TrkB and TrkC receptors in the developmental regulation of synaptic inputs in the CNS in vivo. The data also suggest that the genes encoding for synaptic proteins may be targets of TrkB and TrkC signaling pathways.

The t-SNAREs syntaxin 1 and SNAP-25 are present on organelles that participate in synaptic vesicle recycling

Syntaxin 1 and synaptosome-associated protein of 25 kD (SNAP-25) are neuronal plasmalemma proteins that appear to be essential for exocytosis of synaptic vesicles (SVs). Both proteins form a complex with synaptobrevin, an intrinsic membrane protein of SVs. This binding is thought to be responsible for vesicle docking and apparently precedes membrane fusion. According to the current concept, syntaxin 1 and SNAP-25 are members of larger protein families, collectively designated as target-SNAP receptors (t-SNAREs), whose specific localization to subcellular membranes define where transport vesicles bind and fuse. Here we demonstrate that major pools of syntaxin 1 and SNAP-25 recycle with SVs. Both proteins cofractionate with SVs and clathrin-coated vesicles upon subcellular fractionation. Using recombinant proteins as standards for quantitation, we found that syntaxin 1 and SNAP-25 each comprise approximately 3% of the total protein in highly purified SVs. Thus, both proteins are significant components of SVs although less abundant than synaptobrevin (8.7% of the total protein). Immunoisolation of vesicles using synaptophysin and syntaxin specific antibodies revealed that most SVs contain syntaxin 1. The widespread distribution of both syntaxin 1 and SNAP-25 on SVs was further confirmed by immunogold electron microscopy. Botulinum neurotoxin C1, a toxin that blocks exocytosis by proteolyzing syntaxin 1, preferentially cleaves vesicular syntaxin 1. We conclude that t-SNAREs participate in SV recycling in what may be functionally distinct forms.

Transfer entropy reconstruction and labeling of neuronal connections from simulated calcium imaging

Neuronal dynamics are fundamentally constrained by the underlying structural network architecture, yet much of the details of this synaptic connectivity are still unknown even in neuronal cultures in vitro. Here we extend a previous approach based on information theory, the Generalized Transfer Entropy, to the reconstruction of connectivity of simulated neuronal networks of both excitatory and inhibitory neurons. We show that, due to the model-free nature of the developed measure, both kinds of connections can be reliably inferred if the average firing rate between synchronous burst events exceeds a small minimum frequency. Furthermore, we suggest, based on systematic simulations, that even lower spontaneous inter-burst rates could be raised to meet the requirements of our reconstruction algorithm by applying a weak spatially homogeneous stimulation to the entire network. By combining multiple recordings of the same in silico network before and after pharmacologically blocking inhibitory synaptic transmission, we show then how it becomes possible to infer with high confidence the excitatory or inhibitory nature of each individual neuron.

Botulinum neurotoxin type A blocks the morphological changes induced by chemical stimulation on the presynaptic membrane of Torpedo synaptosomes.

The action of botulinum neurotoxin on acetylcholine release, and on the structural changes at the presynaptic membrane associated with the transmitter release,was studied by using a subcellular fraction of cholinergic nerve terminals (synaptosomes) isolated from the Torpedo electric organ. Acetylcholine and ATP release were continuously monitored by chemiluminescent methods.To catch the membrane morphological changes, the quick-freezing method was applied. Our results show that botulinum neurotoxin inhibits the release of acetylcholine from these isolated nerve terminals in a dose-dependent manner, whereas ATP release is not affected. The maximal inhibition (70%) is achieved at neurotoxin concentrations as low as 125 pM with an incubation time of 6 min. This effect is not linked to an alteration of the integrity of the synaptosomes since, after poisoning by botulinum neurotoxin type A, they show a nonmodified occluded lactate dehydrogenase activity. Moreover, membrane potential is not altered by the toxin with respect to the control, either in resting condition or after potassium depolarization. In addition to acetylcholine release inhibition, botulinum neurotoxin blocks the rearrangement of the presynaptic intramembrane particles induced by potassium stimulation. The action of botulinum neurotoxin suggests that the intramembrane particle rearrangement is related to the acetylcholine secretion induced by potassium stimulation in synaptosomes isolated from the electric organ of Torpedo marmorata.

A comparative study of the intercellular connections between parasite/host in two Gelidiocolax/Gelidium algal parasitic systems

Comparative ultrastructural study of the intercellular connections between parasite and host cells in two algal parasitic systems, Gelidiocolax christianae Feldmann and Feldmann/Ge/iV/ium spathulatum (Kutz.) Bornet and Gelidiocolax deformans Seoane Camba/Gelidium sesquipedale (Clem.) Thur, shows quantitative and structural differences. The number of free conjunctor cells (before fusión with the adjacent host cells) differs between the two parasitic systems and is inversely related to the number of complex pit connections. The fibrillar cell wall structure of the conjunctor cells and the lamellar structure of the complex pit plugs in the two systems are also different A hypothesis concerning the different activity of the conjuntor cell wall in the two parasitic systems, related with the different structural appearance, is proposed.

Effects of neurotrophins on synaptic protein expression in the visual cortex of dark reared rats.

Total lack of visual experience [dark rearing (DR)] is known to prolong the critical period and delay development of sensory functions in mammalian visual cortex. Recent results show that neurotrophins (NTs) counteract the effects of DR on functional properties of visual cortical cells and exert a strong control on critical period duration. NTs are known to modulate the development and synaptic efficacy of neurotransmitter systems that are affected by DR. However, it is still unknown whether the actions of NTs in dark-reared animals involve interaction with neurotransmitter systems. We have studied the effects of DR on the expression of key molecules in the glutamatergic and GABAergic systems in control and NT-treated animals. We have found that DR reduced the expression of the NMDA receptor 2A subunit and its associated protein PSD-95 (postsynaptic density-95), of GRIP (AMPA glutamate receptor interacting protein), and of the biosynthetic enzyme GAD (glutamic acid decarboxylase). Returning dark-reared animals to light for 2 hr restored normal expression of the above-mentioned proteins almost completely. NT treatment specifically counteracts DR effects; NGF acts primarily on the NMDA system, whereas BDNF acts primarily on the GABAergic system. Finally, the action of NT4 seems to involve both excitatory and inhibitory systems. These data demonstrate that different NTs counteract DR effects by modulating the expression of key molecules of the excitatory and inhibitory neurotransmitter systems

Tactile perception - Perception of tactile distance changes with body site: a neural network modelling study.

La distorsione della percezione della distanza tra due stimoli puntuali applicati sulla superfice della pelle di diverse regioni corporee è conosciuta come Illusione di Weber. Questa illusione è stata osservata, e verificata, in molti esperimenti in cui ai soggetti era chiesto di giudicare la distanza tra due stimoli applicati sulla superficie della pelle di differenti parti corporee. Da tali esperimenti si è dedotto che una stessa distanza tra gli stimoli è giudicata differentemente per diverse regioni corporee. Il concetto secondo cui la distanza sulla pelle è spesso percepita in maniera alterata è ampiamente condiviso, ma i meccanismi neurali che manovrano questa illusione sono, allo stesso tempo, ancora ampiamente sconosciuti. In particolare, non è ancora chiaro come sia interpretata la distanza tra due stimoli puntuali simultanei, e quali aree celebrali siano coinvolte in questa elaborazione. L’illusione di Weber può essere spiegata, in parte, considerando la differenza in termini di densità meccano-recettoriale delle differenti regioni corporee, e l’immagine distorta del nostro corpo che risiede nella Corteccia Primaria Somato-Sensoriale (homunculus). Tuttavia, questi meccanismi sembrano non sufficienti a spiegare il fenomeno osservato: infatti, secondo i risultati derivanti da 100 anni di sperimentazioni, le distorsioni effettive nel giudizio delle distanze sono molto più piccole rispetto alle distorsioni che la Corteccia Primaria suggerisce. In altre parole, l’illusione osservata negli esperimenti tattili è molto più piccola rispetto all’effetto prodotto dalla differente densità recettoriale che affligge le diverse parti del corpo, o dall’estensione corticale. Ciò, ha portato a ipotizzare che la percezione della distanza tattile richieda la presenza di un’ulteriore area celebrale, e di ulteriori meccanismi che operino allo scopo di ridimensionare – almeno parzialmente – le informazioni derivanti dalla corteccia primaria, in modo da mantenere una certa costanza nella percezione della distanza tattile lungo la superfice corporea. E’ stata così proposta la presenza di una sorta di “processo di ridimensionamento”, chiamato “Rescaling Process” che opera per ridurre questa illusione verso una percezione più verosimile. Il verificarsi di questo processo è sostenuto da molti ricercatori in ambito neuro scientifico; in particolare, dal Dr. Matthew Longo, neuro scienziato del Department of Psychological Sciences (Birkbeck University of London), le cui ricerche sulla percezione della distanza tattile e sulla rappresentazione corporea sembrano confermare questa ipotesi. Tuttavia, i meccanismi neurali, e i circuiti che stanno alla base di questo potenziale “Rescaling Process” sono ancora ampiamente sconosciuti. Lo scopo di questa tesi è stato quello di chiarire la possibile organizzazione della rete, e i meccanismi neurali che scatenano l’illusione di Weber e il “Rescaling Process”, usando un modello di rete neurale. La maggior parte del lavoro è stata svolta nel Dipartimento di Scienze Psicologiche della Birkbeck University of London, sotto la supervisione del Dott. M. Longo, il quale ha contribuito principalmente all’interpretazione dei risultati del modello, dando suggerimenti sull’elaborazione dei risultati in modo da ottenere un’informazione più chiara; inoltre egli ha fornito utili direttive per la validazione dei risultati durante l’implementazione di test statistici. Per replicare l’illusione di Weber ed il “Rescaling Proess”, la rete neurale è stata organizzata con due strati principali di neuroni corrispondenti a due differenti aree funzionali corticali: • Primo strato di neuroni (il quale dà il via ad una prima elaborazione degli stimoli esterni): questo strato può essere pensato come parte della Corteccia Primaria Somato-Sensoriale affetta da Magnificazione Corticale (homunculus). • Secondo strato di neuroni (successiva elaborazione delle informazioni provenienti dal primo strato): questo strato può rappresentare un’Area Corticale più elevata coinvolta nell’implementazione del “Rescaling Process”. Le reti neurali sono state costruite includendo connessioni sinaptiche all’interno di ogni strato (Sinapsi Laterali), e connessioni sinaptiche tra i due strati neurali (Sinapsi Feed-Forward), assumendo inoltre che l’attività di ogni neurone dipenda dal suo input attraverso una relazione sigmoidale statica, cosi come da una dinamica del primo ordine. In particolare, usando la struttura appena descritta, sono state implementate due differenti reti neurali, per due differenti regioni corporee (per esempio, Mano e Braccio), caratterizzate da differente risoluzione tattile e differente Magnificazione Corticale, in modo da replicare l’Illusione di Weber ed il “Rescaling Process”. Questi modelli possono aiutare a comprendere il meccanismo dell’illusione di Weber e dare così una possibile spiegazione al “Rescaling Process”. Inoltre, le reti neurali implementate forniscono un valido contributo per la comprensione della strategia adottata dal cervello nell’interpretazione della distanza sulla superficie della pelle. Oltre allo scopo di comprensione, tali modelli potrebbero essere impiegati altresì per formulare predizioni che potranno poi essere verificate in seguito, in vivo, su soggetti reali attraverso esperimenti di percezione tattile. E’ importante sottolineare che i modelli implementati sono da considerarsi prettamente come modelli funzionali e non intendono replicare dettagli fisiologici ed anatomici. I principali risultati ottenuti tramite questi modelli sono la riproduzione del fenomeno della “Weber’s Illusion” per due differenti regioni corporee, Mano e Braccio, come riportato nei tanti articoli riguardanti le illusioni tattili (per esempio “The perception of distance and location for dual tactile pressures” di Barry G. Green). L’illusione di Weber è stata registrata attraverso l’output delle reti neurali, e poi rappresentata graficamente, cercando di spiegare le ragioni di tali risultati.

Tactile Perception - Perception of tactile distance on a single skin surface changes with stimulus orientation: a neuronal network modelling study

L’interazione che abbiamo con l’ambiente che ci circonda dipende sia da diverse tipologie di stimoli esterni che percepiamo (tattili, visivi, acustici, ecc.) sia dalla loro elaborazione per opera del nostro sistema nervoso. A volte però, l’integrazione e l’elaborazione di tali input possono causare effetti d’illusione. Ciò si presenta, ad esempio, nella percezione tattile. Infatti, la percezione di distanze tattili varia al variare della regione corporea considerata. Il concetto che distanze sulla cute siano frequentemente erroneamente percepite, è stato scoperto circa un secolo fa da Weber. In particolare, una determinata distanza fisica, è percepita maggiore su parti del corpo che presentano una più alta densità di meccanocettori rispetto a distanze applicate su parti del corpo con inferiore densità. Oltre a questa illusione, un importante fenomeno osservato in vivo è rappresentato dal fatto che la percezione della distanza tattile dipende dall’orientazione degli stimoli applicati sulla cute. In sostanza, la distanza percepita su una regione cutanea varia al variare dell’orientazione degli stimoli applicati. Recentemente, Longo e Haggard (Longo & Haggard, J.Exp.Psychol. Hum Percept Perform 37: 720-726, 2011), allo scopo di investigare come sia rappresentato il nostro corpo all’interno del nostro cervello, hanno messo a confronto distanze tattili a diverse orientazioni sulla mano deducendo che la distanza fra due stimoli puntuali è percepita maggiore se applicata trasversalmente sulla mano anziché longitudinalmente. Tale illusione è nota con il nome di Illusione Tattile Orientazione-Dipendente e diversi risultati riportati in letteratura dimostrano che tale illusione dipende dalla distanza che intercorre fra i due stimoli puntuali sulla cute. Infatti, Green riporta in un suo articolo (Green, Percpept Pshycophys 31, 315-323, 1982) il fatto che maggiore sia la distanza applicata e maggiore risulterà l’effetto illusivo che si presenta. L’illusione di Weber e l’illusione tattile orientazione-dipendente sono spiegate in letteratura considerando differenze riguardanti la densità di recettori, gli effetti di magnificazione corticale a livello della corteccia primaria somatosensoriale (regioni della corteccia somatosensoriale, di dimensioni differenti, sono adibite a diverse regioni corporee) e differenze nella dimensione e forma dei campi recettivi. Tuttavia tali effetti di illusione risultano molto meno rilevanti rispetto a quelli che ci si aspetta semplicemente considerando i meccanismi fisiologici, elencati in precedenza, che li causano. Ciò suggerisce che l’informazione tattile elaborata a livello della corteccia primaria somatosensoriale, riceva successivi step di elaborazione in aree corticali di più alto livello. Esse agiscono allo scopo di ridurre il divario fra distanza percepita trasversalmente e distanza percepita longitudinalmente, rendendole più simili tra loro. Tale processo assume il nome di “Rescaling Process”. I meccanismi neurali che operano nel cervello allo scopo di garantire Rescaling Process restano ancora largamente sconosciuti. Perciò, lo scopo del mio progetto di tesi è stato quello di realizzare un modello di rete neurale che simulasse gli aspetti riguardanti la percezione tattile, l’illusione orientazione-dipendente e il processo di rescaling avanzando possibili ipotesi circa i meccanismi neurali che concorrono alla loro realizzazione. Il modello computazionale si compone di due diversi layers neurali che processano l’informazione tattile. Uno di questi rappresenta un’area corticale di più basso livello (chiamata Area1) nella quale una prima e distorta rappresentazione tattile è realizzata. Per questo, tale layer potrebbe rappresentare un’area della corteccia primaria somatosensoriale, dove la rappresentazione della distanza tattile è significativamente distorta a causa dell’anisotropia dei campi recettivi e della magnificazione corticale. Il secondo layer (chiamato Area2) rappresenta un’area di più alto livello che riceve le informazioni tattili dal primo e ne riduce la loro distorsione mediante Rescaling Process. Questo layer potrebbe rappresentare aree corticali superiori (ad esempio la corteccia parietale o quella temporale) adibite anch’esse alla percezione di distanze tattili ed implicate nel Rescaling Process. Nel modello, i neuroni in Area1 ricevono informazioni dagli stimoli esterni (applicati sulla cute) inviando quindi informazioni ai neuroni in Area2 mediante sinapsi Feed-forward eccitatorie. Di fatto, neuroni appartenenti ad uno stesso layer comunicano fra loro attraverso sinapsi laterali aventi una forma a cappello Messicano. E’ importante affermare che la rete neurale implementata è principalmente un modello concettuale che non si preme di fornire un’accurata riproduzione delle strutture fisiologiche ed anatomiche. Per questo occorre considerare un livello astratto di implementazione senza specificare un’esatta corrispondenza tra layers nel modello e regioni anatomiche presenti nel cervello. Tuttavia, i meccanismi inclusi nel modello sono biologicamente plausibili. Dunque la rete neurale può essere utile per una migliore comprensione dei molteplici meccanismi agenti nel nostro cervello, allo scopo di elaborare diversi input tattili. Infatti, il modello è in grado di riprodurre diversi risultati riportati negli articoli di Green e Longo & Haggard.

Studio elettrofisiologico di modificazioni a lungo termine della forza della trasmissione sinaptica nel sistema nervoso centrale

Il nucleo accumbens (NAc), il maggior componente del sistema mesocorticolimbico, è coinvolto nella mediazione delle proprietà di rinforzo e nella dipendenza da diverse sostanze d’abuso. Le sinapsi glutammatergiche del NAc possono esprimere plasticità, tra cui una forma di depressione a lungo termine (LTD) dipendente dagli endocannabinoidi (eCB). Recenti studi hanno dimostrato un’interazione tra le vie di segnalazione del sistema eCB e quelle di altri sistemi recettoriali, compreso quello serotoninergico (5-HT); la vasta colocalizzazione di recettori serotoninergici e CB1 nel NAc suggerisce la possibilità di un’interazione tra questi due sistemi. In questo studio abbiamo riscontrato che una stimolazione a 4 Hz per 20 minuti (LFS-4Hz) delle afferenze glutammatergiche in fettine cerebrali di ratto, induce una nuova forma di eCB-LTD nel core del NAc, che richiede l’attivazione dei recettori CB1 e 5-HT2 e l’apertura dei canali del Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo L. Inoltre abbiamo valutato che l’applicazione esogena di 5-HT (5 M, 20 min) induce una LTD analoga (5-HT-LTD) a livello delle stesse sinapsi, che richiede l’attivazione dei medesimi recettori e l’apertura degli stessi canali del Ca2+; LFS-4Hz-LTD e 5-HT-LTD sono reciprocamente saturanti. Questi risultati suggeriscono che la LFS-4Hz induce il rilascio di 5-HT, che si lega ai recettori 5-HT2 a livello postsinaptico incrementando l’influsso di Ca2+ attraverso i canali voltaggio-dipendenti di tipo L e la produzione e il rilascio di 2-arachidonoilglicerolo; l’eCB viaggia a ritroso e si lega al recettore CB1 a livello presinaptico, causando una diminuzione duratura del rilascio di glutammato, che risulta in una LTD. Queste osservazioni possono essere utili per comprendere i meccanismi neurofisiologici che sono alla base della dipendenza da sostanze d’abuso, della depressione maggiore e di altre malattie psichiatriche caratterizzate dalla disfunzione della neurotrasmissione di 5-HT nel NAc.

Meccanismi neurali per la rappresentazione semantica e lessicale: modello di una rete neurale per apprendere il significato di oggetti e parole

Lo studio della memoria semantica attraverso modelli teorici (qualitativi o matematici) gioca un ruolo importante nelle neuroscienze cognitive. In questa tesi viene presentato un modello della memoria semantica e lessicale. Il principio alla base del modello è che la semantica di un oggetto è descritta attraverso una collezione di proprietà, che sintetizzano la percezione dell’oggetto nelle diverse regioni corticali. Gli aspetti semantici e lessicali sono memorizzati in regioni separate del cervello, ma reciprocamente connesse sulla base dell’esperienza passata, secondo un meccanismo di apprendimento Hebbiano. L’obiettivo del lavoro è indagare i meccanismi che portano alla formazione di categorie, analizzare il ruolo delle diverse proprietà nella costruzione di un concetto e le connessioni tra queste proprietà e la parola corrispondente al nome dell’oggetto. Durante l’addestramento per ogni oggetto sono presentate alcune proprietà in input, con una data frequenza: alcune sono condivise, cioè appartengono a più di un concetto e permettono la formazione di categorie, altre sono distintive, cioè sono tipiche di un concetto e consentono la rappresentazione dei membri di una categoria. Un ulteriore aspetto riguardante le proprietà è la distinzione fra proprietà salienti, che sono spontaneamente evocate, e proprietà marginali. E’ stata utilizzata una tassonomia composta da 11 parole che identificano 11 animali. La salienza è stabilita dalla frequenza con cui si verifica ciascuna proprietà. La distinzione tra proprietà condivise e distintive, e tra proprietà salienti e non salienti, è stata ottenuta mediante l’uso della regola di Hebb con una diversa soglia presinaptica e postsinaptica, producendo patterns di sinapsi asimmetriche all’interno della rete semantica (auto-associazione) e tra la rete semantica e lessicale (etero-associazione). La rete addestrata è in grado di risolvere compiti di riconoscimento e denominazione di oggetti, mantenendo una distinzione tra le categorie e i suoi membri, e fornendo un diverso ruolo per le proprietà salienti rispetto alle proprietà marginali.

Il memristor, un'innovazione nel campo dell'intelligenza artificiale: Analisi dello stato dell'arte e prospettive future

Questo elaborato concerne la revisione della letteratura scientifica relativa alla teorizzazione e realizzazione tecnologica del memristor, un nuovo componente elettronico teorizzato nel 1971 e realizzato solo nel 2008 nei laboratori della HP (Hewlett Packard, Palo Alto, California). Dopo una descrizione in termini matematici della teoria fisica alla base del dispositivo e del suo funzionamento, viene descritta la sua realizzazione tecnologica e il corrispettivo modello teorico. Succesivamente il lavoro discute la possibile analogia tra il funzionamento del memristor ed il funzionamento di neuroni e sinapsi biologiche all'interno del Sistema Nervoso Centrale. Infine, vengono descritte le architetture recentemente proposte per l'implementazione di reti neurali artificiali fondate su un sistema computazionale parallelo e realizzate mediante sistemi ibridi transistors/memristors.