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NEURAL AND BRAIN-COMPUTER INTERFACES

CODICE 106737
ANNO ACCADEMICO 2021/2022
CFU
  • 8 cfu al 1° anno di 11159 BIOENGINEERING(LM-21) - GENOVA
  • SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE ING-INF/06
    SEDE
  • GENOVA
  • PERIODO 2° Semestre
    MATERIALE DIDATTICO AULAWEB

    PRESENTAZIONE

    Il corso è focalizzato sulla descrizione e comprensione dei principi di funzionamento delle interfacce neurali e cervello-macchina. Si partirà dalla definizione dell'interfaccia neurale e dallo stato dell'arte nel campo dei sistemi neuro-elettronici. Verranno presentate e spiegate le tecniche per misurare l'attività elettrofisiologica di cellule e tessuti eccitabili. Verrà quindi fornita una breve introduzione all'elaborazione avanzata del segnale per le interfacce neurali, come base per la comprensione della codifica e decodifica delle informazioni nelle interfacce neurali. Verrà analizzato e discusso lo stato dell'arte delle attuali interfacce neurali, comprese le interfacce cervello macchina, sia invasive che non invasive, e le protesi neurali, concentrandosi sui loro materiali, metodi e attuali applicazioni traslazionali e cliniche.

    OBIETTIVI E CONTENUTI

    OBIETTIVI FORMATIVI

    Definition of neural interface and state of the art in the field of neuro-electronic systems. Techniques for measuring the electrophysiological activity of excitable cells and tissues. Advance signal processing for neural interfaces. Coding and decoding of information in neural interfaces. Definition of uni- and bi-directional neural interfaces. Invasive and non-invasive Brain Machine/Computer Interfaces and Neural Prostheses for the Central Nervous System: materials, methods and current applications

    OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

    Obiettivo 1. Dimostrazione di modelli teorici relativi alle interfacce neuro-elettroniche. Risultati di apprendimento per l'obiettivo 1. Capacità di comprendere e dimostrare modelli teorici dell'interfaccia neuroelettronica.

    Obiettivo 2. Descrizione e analisi di sistemi quali le interfacce neuro-elettroniche e microtrasduttori per l'elettrofisiologia. Risultati di apprendimento per Obiettivo 2. Progettazione (fondamenti) di microtrasduttori per interfacce neurali e risoluzione di semplici problemi relativi ad interfacce e applicazioni neurali.

    Obiettivo 3. Comprensione degli algoritmi di base per l'elaborazione di dati sperimentali da segnali neurali nell'ambito di applicazioni di interfacce neurali. Risultati di apprendimento per l'Obiettivo 3. Progettazione e implementazione di strumenti software per l'analisi del segnale neuronale per applicazioni nell’ambito delle interfacce neurali e cervello-macchina.

    Obiettivo 4. Definizione di codifica e decodifica neurale e analisi delle problematiche ad esse collegate. Risultati di apprendimento per l'Obiettivo 4. Analisi critica dell'attuale stato dell'arte nel campo delle interfacce neurali e cervello-macchina.

    Obiettivo 5. Risolvere problemi che sorgono in un ambiente reale di laboratorio in cui vengono eseguiti esperimenti elettrofisiologici a un livello di complessità maggiore (dall'in vitro, all'in vivo fino agli esperimenti sull'uomo). Risultati di apprendimento per Obiettivo 5. Acquisizione di abilità operative nell'uso di strumenti di laboratorio per registrazioni elettrofisiologiche e per l’acquisizione ed elaborazione di immagini. Comprendere e riprodurre i passaggi fondamentali per eseguire interfacce neurali/cervello ed esperimenti di neuroprotesi.

    PREREQUISITI

    Fondamenti di chimica, biofisica, matematica, elettronica e informatica forniti durante i primi tre anni della Laurea in Ingegneria Biomedica.

    MODALITA' DIDATTICHE

    • Lezioni frontali
    • Esercizi supervisionati
    • Formazione in laboratorio sperimentale

    PROGRAMMA/CONTENUTO

    Modellazione dell'interfaccia neuro-elettronica: modelli teorici dell'interfaccia solido-liquido; interfaccia polarizzabile e non polarizzabile; Microtrasduttori e tecniche elettrofisiologiche; Microelettrodo, transistor al silicio, transistori organici.

    Tecniche per l'elettrofisiologia e applicazioni: elettrofisiologia in-vitro e in-vivo, misure intracellulari ed extracellulari, patch clamp; registrazioni di singole cellule, elettrofisiologia di rete; dispositivi e applicazioni.

    Tecniche per l'analisi dei segnali neuronali nell'ambito delle interfacce neurali che interagiscono con il cervello: definizione di MUA, SUA e LFP; elaborazione e visualizzazione dati per interfacce neurali; Definizione LFP ed elaborazione di base.

    Codifica e trasmissione dell'informazione: definizione di codice neurale; rate vs time code; teoria dell'informazione applicata ai segnali neurali; recenti approcci per la codifica neurale; applicazioni.

    Decodifica delle informazioni e Brain-Machine-Interfaces (BMI): definizione di BMI; tipi di BMI; concetto di decodifica dell'attività e definizione teorica; casi clinici e applicazioni di Brain-Machine-Interfaces e neuroprotesi.

    TESTI/BIBLIOGRAFIA

    • Bioelectronics: MOSFETs, biosensors, neurons, M. Grattarola e G. Massobrio, McGraw -Hill, (1998)
    • Principle of applied Biomedical instrumentation, Geddes and Baker, Wiley Interscience ed., 1989.
    • SPIKES: exploring the neural code, Riecke, Warland, de Reuyter van Steveninck, Bialek, MIT press, 1997.
    • Toward Replacement Parts For The Brain: Implantable Biomimetic Electronics As Neural Prostheses, T. Berger, D. Glanzman eds, MIT press 2005 
    • Analyzing Neural time series data: Theory and practice, Michael X. Cohen, MIT Press, (2014)
    • Niedermayers’ Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications and Related Fields, Schomer and Lopes da Silva, sixth ed. Lippincot Williams and wilkins, (2011)

    DOCENTI E COMMISSIONI

    Commissione d'esame

    MICHELA CHIAPPALONE (Presidente)

    GABRIELE ARNULFO

    SERGIO MARTINOIA (Presidente Supplente)

    LEZIONI

    Orari delle lezioni

    L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

    ESAMI

    MODALITA' D'ESAME

    L'esame è costituito da una prova scritta e da una orale (esercitazioni sugli argomenti presentati durante le lezioni frontali e le esercitazioni supervisionate) e da una presentazione facoltativa di un articolo scientifico durante sessioni di ‘Journal Club’. La valutazione della presentazione, da parte del Docente e di due revisori scelti tra gli studenti partecipanti al corso, attribuisce un bonus fino a 3 punti.

    La formazione in laboratorio sperimentale non concorre alla valutazione dell'esame finale, ma serve per il raggiungimento dell'Aim5.

    Le date degli esami verranno decise dal docente e comunicate agli studenti con adeguata tempistica.

    MODALITA' DI ACCERTAMENTO

    La prova scritta e quella orale consentiranno di valutare il raggiungimento di Aim1, Aim2 e Aim3.

    Il Journal Club valuterà il raggiungimento di Aim4.

    Le attività formative del laboratorio sperimentale consentiranno di raggiungere l'Aim5.

    Calendario appelli

    Data Ora Luogo Tipologia Note
    13/06/2022 09:00 GENOVA Scritto
    19/07/2022 09:00 GENOVA Scritto
    16/09/2022 14:00 GENOVA Scritto

    ALTRE INFORMAZIONI

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