Unità di Neurofisiologia
L’unità di Neurofisiologia comprende diversi laboratori:
* Neurofisiologia cellulare - Neurocomputazione e modelli
neuronali - Neuroimaging
* Neuroimmunologia del sistema uditivo
* Biofisica delle cellule ciliate dell’apparato acustico-vestibolare
Il laboratorio coordinato dal prof. D’Angelo genera concetti, modelli e teorie all'avanguardia sul funzionamento cerebellare e cerebrale muovendosi su varie linee: le neuroscienze cellulari/molecolari, la neuro-computazionale e lo studio delle funzioni cerebrali sia in condizioni normali che patologiche.
Il lavoro è integrato nel progetto decennale dell’Unione Europea Human Brain Project (EU) e nel Brain Connectivity Center (Università di Pavia e IRCCS Mondino Foundation, Pavia).
Il Laboratorio è composto da tre sotto unità:
Neurofisiologia cellulare: studia la plasticità sinaptica e le caratteristiche computazionali dei neuroni cerebellari e dei micro e macro circuiti in cui essi sono coinvolti. I laboratori sono l'ambiente ideale dove studiare la fisiologia a partire dai meccanismi subcellulari fino allo studio della dinamica e del comportamento della rete neurale. I laboratori sono dotati di set-up di elettrofisiologia per patch-clamp su singola cellula, di calcium imaging intracellulare, di calcium imaging a due fotoni, di imaging con voltage-sensitive dye (VSD), di optogenetica in vitro e in vivo, di registrazioni a multielettrodo in vitro (MEA ad alta densità) e in vivo. Inoltre è dotato di laboratori per biologia cellulare e molecolare.
Neurocomputazione e modelli neuronali: elabora modelli matematici avanzati di singoli neuroni e microcircuiti. I modelli sono generati a partire dai dati sperimentali, validati e semplificati, e poi usati per modelli closed loop di controllori robotici e inserite nei virtual brains. Per questi complessi calcoli di modellizzazione vi è un cluster dedicato.
Neuroimaging: studia le correlazioni tra le funzioni delle strutture celebrali e le dinamiche dei circuiti cerebrali grazie a tecniche di risonanza magnetica e grazie a modelli virtual brain. Particolare attenzione è posta su questioni relative al controllo motorio e alle capacità cognitive sia in condizioni normali che patologiche (es. atassia, autismo, Alzheimer etc).
La ricerca si concentra sull'analisi multiscala delle funzioni del cervelletto e mira a:
- comprendere i meccanismi molecolari/cellulari delle funzioni di neuroni, sinapsi e microcircuiti
- chiarire i processi di meso e larga scala in cui sono coinvolti i microcircuiti locali
- simulare il controllo dinamico della plasticità sinaptica nell'apprendimento per tentativi ed errori
- integrare i modelli del cervelletto in circuiti extra-cerebellari per simulazioni di rete su larga scala utilizzando controller robotici e modelli cerebrali virtuali (virtual brains).
Questa ricerca è coordinata con lo sviluppo e l’implementazione di tools sperimentali e neuro-informatici anche in collaborazione con centri di ricerca e aziende sia nazionali che internazionali. I modelli del cervelletto sono inoltre utili per simulazioni delle alterazioni patologiche della plasticità e della dinamica dei circuiti che generano molteplici ricadute sulla modellizzazione cerebrale, la comprensione teorica delle funzioni e delle malattie cerebrali e l'implementazione dell'infrastruttura.
Orecchio interno. (A) Sezione ottica della coclea. (B) Ricostruzione 3D dell’orecchio interno visto medialmente. (C) Dettaglio a Maggiore ingrandimento di un singolo giro cocleare. (D) Sezione longitudinale del sacco e dotto endolinfatico (evidenziato in azzurro) mostrante la popolazione dei macrofagi. Il dotto segue la crus commune ed emerge alla superficie interna dell’osso come sacco endolinfatico. Una piega nella dura (asterisco) continua con il periostio separa il sacco dal plesso coroideo. Figura 1 da Perin et al. 2019.
Il laboratorio di Neuroimmunologia del sistema uditivo coordinato dalla prof.ssa Perin studia le interazioni neuroimmuni nel sistema uditivo in condizioni normali e patologiche. Utilizzando metodi di chiarificazione tissutale in preparati intatti di cervello e osso temporale di modelli animali [Perin et al. 2019], abbiamo osservato la presenza di legami di superficie tra il plesso coroideo e i nuclei cocleari [Perin et al. 2021], a livello dei quali dopo danno cocleare si accumulano macrofagi [Perin et al. 2017], localizzati in una posizione consistente con la loro modulazione della trasmissione nello strato molecolare del nucleo cocleare dorsale, la cui struttura è simile a quella della corteccia cerebellare. Dato che il nucleo cocleare dorsale appare coinvolto nell’insorgenza dell’acufene [Wu et al. 2016], stiamo studiando gli effetti delle interazioni del plesso coroideo in un modello murino di acufene.
Parallelamente agli studi sui nuclei cocleari, con lo stesso approccio di chiarificazione tissutale, stiamo ricostruendo la rete microvascolare dell’osso temporale per osservare la distribuzione delle cellule del sistema immunitario a partire dal midollo osseo locale [Perin et al. 2022]. La complessità strutturale di quest’osso ne ha infatti sinora precluso un’analisi microvascolare dettagliata, e l’importanza di questa analisi è acuita dalla recente osservazione dell’osso parietale intatto, in cui il midollo osseo fornisce cellule che maturano localmente e rimangono associate spazialmente e funzionalmente alle meningi, contribuendo in modo prevalente alle interazioni neuroimmuni [Cugurra et al. 2021].
Pubblicazioni
Perin P, Rossetti R, Ricci C, Cossellu D, Lazzarini S, Bethge P, Voigt FF, Helmchen F, Batti L, Gantar I, Pizzala R. (2021) 3D Reconstruction of the Clarified Rat Hindbrain Choroid Plexus. doi: 10.3389/fcell.2021.692617. eCollection 2021. PMID: 34395426
Fabian F. Voigt et al. (2019). The mesoSPIM initiative: open-source light-sheet mesoscopes for imaging in cleared tissue. Nature Methods. doi: https://doi.org/10.1038/s41592-019-0554-0
Perin P, Voigt FF, Bethge P, Helmchen F and Pizzala R (2019) iDISCO+ for the Study of Neuroimmune Architecture of the Rat Auditory Brainstem. Front. Neuroanat. 13:15. doi: 10.3389/fnana.2019.00015
Perin P, Venturino A, Pizzala R. Choroid plexus trafficking of immune cells towards the rat cochlear nuclei after noise trauma or cochlear destruction. GLIA 65:E446–E447 (2017). DOI: 10.1002/glia.23157
Venturino A, Colombo G, Sanchini G, Vitale V, Bertone V, Oda A, Pizzala R, Perin P. Does blocking microglial activation prevent tinnitus onset? Journal of Neuroimmune Pharmacology, March 2016, Volume 11, Issue 1, p. 225.
Il laboratorio di Biofisica delle cellule ciliate dell’apparato acustico-vestibolare coordinato dal Prof. Masetto e dal Prof. Russo studia le proprietà biofisiche delle cellule sensoriali dell’orecchio interno, le cellule ciliate cocleari e vestibolari. L’approccio sperimentale principale è rappresentato dalla tecnica elettrofisiologia del “patch-clamp” in combinazione al preparato intero o in fettina (registrazione da cellule ciliate in situ). Altre tecniche utilizzate a complemento sono la microscopia elettronica e confocale, la immunoistochimica e la biologia molecolare. Il modello animale preferenzialmente utilizzato è il topo, sia wild type che transgenico. Al presente il focus dello studio verte sulla caratterizzazione del meccanismo di trasmissione del segnale sensoriale a livello della sinapsi tra cellule ciliate vestibolari e terminazioni nervose afferenti, e sul ruolo del gene Eps8 nella funzione uditiva e nella sordità indotta dagli antibiotici amminoglicosidici. Il laboratorio collabora da anni con il Prof. W. Marcotti della School of Biosciences dell’Università di Sheffield (UK).