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

Definizione di interfacce neurali e stato dell'arte nel campo dei sistemi neuro-elettronici. Tecniche per la misurazione dell'attività elettrofisiologica di cellule e tessuti eccitabili. Elaborazione avanzata dei segnali per interfacce neurali. Codifica e decodifica dell'informazione nelle interfacce neurali. Definizione di interfacce neurali unidirezionali e bidirezionali. Interfacce cervello-macchina e protesi neurali invasive e non invasive per il sistema nervosa centrale: materiali, metodi e applicazioni attuali.

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.

Open Badge ‘Competenze trasversali’. Il corso include attività formative fra i propri obiettivi di apprendimento che permettono il raggiungimento delle seguenti competenze trasversali:

1. competenza alfabetica funzionale;
2. capacità di imparare a imparare:

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

Si consigliano gli studenti lavoratori e gli studenti con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali di contattare il docente all’inizio del corso per concordare modalità didattiche e d’esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali.

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)

MARTA CARE' (Supplente)

VINICIUS ROSA COTA (Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://easyacademy.unige.it/portalestudenti/index.php?view=easycourse&_lang=it&include=corso

 

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame è costituito da una prova scritta e da una orale (esercitazioni e domande teoriche sugli argomenti presentati durante le lezioni frontali e le esercitazioni supervisionate) e da una presentazione 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 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.

Tutte le attività sopra descritte saranno necessarie per l'attribuzione degli Open Badge.

Calendario appelli

ALTRE INFORMAZIONI

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