Biotecnologie mediche

Tipologia

Discipline biotecnologiche comuni

SSD

BIO/09

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

4

Distribuzione delle ore

32 classroom hours

Docenti

GIANLUCA DI FLUMERI
DARIO ROSSI

Tipologia

Discipline medico-chirurgiche e riproduzione umana

SSD

MED/18

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

1

Distribuzione delle ore

8 classroom hours

Docenti

GIANLUCA DI FLUMERI

Tipologia

Discipline medico-chirurgiche e riproduzione umana

SSD

MED/50

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

3

Distribuzione delle ore

24 classroom hours

Docenti

GIANLUCA BORGHINI
FABIO BABILONI

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

ING-INF/06

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

1

Distribuzione delle ore

8 classroom hours

Docenti

GIANLUCA BORGHINI

Obiettivi generali:
Alla fine del corso, gli studenti e le studentesse dovranno conoscere i principi fisici e tecnologici alla base delle tecniche di neuroimaging maggiormente utilizzate in contesti clinici ed industriali, le precauzioni e caratteristiche per il loro utilizzo e scelta, i fondamenti di statistica per la validazione dei risultati, principi di programmazione per analisi computazionali, come definire un protocollo sperimentale considerando anche gli aspetti legati ad Etica e protezione dei dati (GDPR).

Obiettivi specifici:
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Gli studenti e le studentesse dovranno mostrare di conoscere il funzionamento generale, principi fisici e caratteristiche elettroniche e tecnologiche delle principali tecniche di neuroimaging. Inoltre, essi dovranno essere in grado di interpretare e discutere i risultati derivanti da protocolli sperimentali a seguito dell’utilizzo di specifiche tecnologie e metodologie.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Gli studenti e le studentesse dovranno mostrare di saper applicare le conoscenze acquisite per descrivere le più rilevanti relazioni tra la particolare scelta della tecnologia di neuroimaging, protocollo sperimentale e test statistici, e finalità del relativo utilizzo ed applicazione.

3. Autonomia di giudizio
Le lezioni saranno interattive. Il docente porrà domande continue a studenti e studentesse per stimolare il senso critico e integrare le loro conoscenze pregresse. Tali domande serviranno anche a indurre gli studenti e le studentesse a stabilire collegamenti tra le nozioni acquisite durante le lezioni in una visione integrata e critica della Bioingegneria Elettronica.

4. Abilità comunicative
La capacità di studenti e studentesse di esporre gli argomenti trattati nel programma con termini e discorsi appropriati sarà valutata attentamente. Essi dovranno essere in grado di descrivere ordinatamente e organicamente gli argomenti trattati, riuscendo sia a dare una visione dettagliata del funzionamento delle tecnologie e metodologie trattate a lezione sia una visione di insieme della relazione e differenze tra esse.

5. Capacità di apprendimento
Si insegnerà a studenti e studentesse a integrare criticamente e memorizzare le nozioni più importanti derivate di più fonti di studio, comprese quelle ricevute a lezione e quelle lette nei testi consigliati e nelle risorse presenti nel WEB e nella letteratura scientifica.

Non sono necessari prerequisiti.

Modulo: MODULO 1
Core curriculum.
Gli argomenti si intendono svolti in successione temporale così come sono riportati nel seguito del documento.
Questo programma sarà svolto durante il II anno 1 semestre del CdS con calendarizzazione delle lezioni pubblicate sul sito web del CdS nella sezione dedicata all'orario delle lezioni.
Fisiologia e Biofisica cellulare 3 CFU
• Cosa studia la fisiologia. Concetto di omeostasi. Liquidi corporei.
• Fisiologia delle cellule del sangue - Le funzioni generali del sangue. - I costituenti del sangue: plasma, eritrociti, leucociti, piastrine. L'emostasi.
• La cellula come unità di base: parametri elettrici della membrana cellulare e circuiti equivalenti; potenziale di riposo; potenziale d'azione. - Canali ionici voltaggio-dipendenti. - Metodi biofisici per lo studio degli eventi elettrici di membrana.
• Neurotrasmettitori
• Sinapsi elettriche: struttura e funzione. –
• Sinapsi chimiche. Rilascio del trasmettitore spontaneo ed evocato. Potenziale sinaptico; sommazione spaziale e temporale. La giunzione neuromuscolare.
• Recettori di membrana: Famiglie di recettori ionotropi: analogie strutturali e peculiarità funzionali. - Famiglie di recettori metabotropi: analogie strutturali e diversità funzionali. - Sistemi di secondi messaggeri e trasduzione del segnale. Attività sinaptica e processi cognitivi e mnemonici.
• Fisiologia muscolare 1 CFU
Il muscolo: struttura e funzione dei vari tipi di muscolo. - La contrazione del muscolo scheletrico, liscio e cardiaco.
• Sistema nervoso autonomo orto e parasimpatico.
Centri respiratori e cardiocircolatori 2 CFU
• Fisiologia del cuore e della circolazione sanguigna
Leggi della meccanica dei fluidi applicate alla circolazione del sangue. Pressione arteriosa e resistenze periferiche. Il cuore: aspetti fisiologici del miocardio; il ciclo cardiaco. Gittata cardiaca e ritorno venoso. Eccitazione del miocardio e conduzione dell'impulso; meccanismi di controllo nervoso. - L'elettrocardiogramma. - Microcircolazione e sistema linfatico: Scambi tra sangue e tessuti. - Controllo del flusso ematico e della pressione arteriosa. Metodi di misurazione della pressione arteriosa.
• Fisiologia della respirazione 2 CFU
La respirazione: struttura funzionale del polmone. - Pressioni polmonari e ventilazione; volumi polmonari - Proprietà meccaniche del polmone. - Il circolo polmonare. - Scambi gassosi - Trasporto dei gas respiratori. – Controllo della respirazione.



Modulo: MODULO 4
N/D
Modulo: MODULO 3
Obiettivi
Fornire una panoramica esaustiva e completa dei moderni approcci delle neuroscienze per la misura in tempo reale degli stati mentali dell’uomo durante le attività di consumo e lavorative, nonché nella pratica riabilitativa e clinica. Comprendere le basi delle tecnologie che aspirano a mettere l’uomo al centro dell’interazione con le macchine ed i dispositivi di prossima generazione (es. aeromobili, automobili a guida autonoma).

Programma
Introduzione: Neuroscienze e Neurotecnologie al mondo d’oggi
1. Le basi del pensiero: Richiami di fisiologia della cellula nervosa
a. Membrana eccitabile e potenziale di riposo
b. Meccanismi di trasporto attivo e passivo, canali ionici a cancello
c. Generazione e propagazione del potenziale d’azione
d. Trasmissione sinaptica
e. Sistema Nervoso Centrale e Periferico
f. Studio delle funzioni di attenzione, memorizzazione, emozione, controllo esecutivo

2. Misurare l’attività cerebrale nell’uomo: il Sistema Nervoso Centrale e tecniche di misura delle attività elettriche correlate
a. Risonanza Magnetica (RMI) e Risonanza Magnetica funzionale (fRMI)
b. Tomografia ad Emissione di Positroni (PET)
c. Spettrografia Ottica agli Infra-Rossi (fNIRS)
e. Magnetoencefalografia (MEG)
f. Elettroencefalografia (EEG)
g. Esempi di applicazione

3. Decodificare l’attività cerebrale in tempo reale, come e perchè: Interazione Cervello-Computer (BCI) e modelli machine learning
a. Decodifica del segnale cerebrale e definizione di Brain Computer Interface (BCI)
b. Cenni su modelli machine learning lineari
c. Cenni su modelli machine learning non lineari
d. Esempi di applicazione clinica ed industriale
4. La misura delle emozioni: il Sistema Nervoso Periferico Autonomo e tecniche di misura delle attività correlate
a. Natura ed analisi del segnale Elettrocardiografico (ECG)
b. Valutazione e correlati del segnale ECG
c. Natura ed analisi del segnale Risposta Galvanica Cutanea (GSR)
d. Valutazione e correlati del segnale GSR
e. Natura ed analisi dei segnali oculometrici: EOG ed Eye Tracker
f. Valutazione e correlati dei segnali oculometrici

5. Sapere come valutare i risultati delle misure cerebrali: Definizione dei Protocolli Sperimentali e Validazione Statistica
a. Protocolli sperimentali base
b. Protocolli sperimentali Within e Between
c. Condizioni di controllo e preparazione del protocollo sperimentale
d. Validazione dei risultati e cenni di analisi statistica
e. Considerazioni sull’Etica e protezione dei dati (GDRP)

6. Neuroscienze applicate in contesti industriali e clinici
a. Valutazione di stati mentali in contesti aeronautici
b. Meccanismi di neuroplasticità durante l’addestramento
c. Neuroscienze uditive - cognitive in relazione all’utilizzo di impianti cocleari
d. Valutazione di pattern caratteristici in diverse popolazioni di pazienti con disabilità uditive
e. Valutazione dello stress di Controllori del Traffico Aereo
f. Valutazione di stati mentali nel contesto dell’automotive
g. Passive BCI ed automazioni adattive per migliorare l’interazione Uomo-Macchina\Cobot in contesti operativi ed industriali
h. Valutazione di stati mentali in contesti clinici
i. Neuroergonomia: definizione ed esempi di applicazioni
j. Neuroestetica: definizione ed esempi di applicazioni in contesti reali.

7. Misurare le scelte di consumo mediante le neuroscienze: il Neuromarketing
a. Le basi cerebrali delle funzioni superiori (attenzione, percezione, emozione, apprendimento, memoria, processi decisionali).
b. Metodologie di brain imaging nell’Uomo e uso della teoria dei giochi per studiare l’attività cerebrale nell’interazione sociale associata a rischi e benefici; uso delle metodologie di brain imaging (con particolare riferimento alle tecniche elettroencefalografiche e di risonanza magnetica nucleare) per valutare l’impatto delle comunicazioni pubblicitarie sull’attività cerebrale dell’Uomo.
c. Disegni sperimentali di Neuroeconomia e Neuromarketing per lo studio degli effetti di contenuti pubblicitari su attenzione, memoria ed emozioni.
d. Disegni sperimentali di Neuroeconomia e Neuromarketing per lo studio degli effetti dell’informazione politica sulle scelte di elettori.



Modulo: MODULO 2
Obiettivi
Fornire una panoramica esaustiva e completa dei moderni approcci delle neuroscienze per la misura in tempo reale degli stati mentali dell’uomo durante le attività di consumo e lavorative, nonché nella pratica riabilitativa e clinica. Comprendere le basi delle tecnologie che aspirano a mettere l’uomo al centro dell’interazione con le macchine ed i dispositivi di prossima generazione (es. aeromobili, automobili a guida autonoma).

Programma
Introduzione: Neuroscienze e Neurotecnologie al mondo d’oggi
1. Le basi del pensiero: Richiami di fisiologia della cellula nervosa
a. Membrana eccitabile e potenziale di riposo
b. Meccanismi di trasporto attivo e passivo, canali ionici a cancello
c. Generazione e propagazione del potenziale d’azione
d. Trasmissione sinaptica
e. Sistema Nervoso Centrale e Periferico
f. Studio delle funzioni di attenzione, memorizzazione, emozione, controllo esecutivo

2. Misurare l’attività cerebrale nell’uomo: il Sistema Nervoso Centrale e tecniche di misura delle attività elettriche correlate
a. Risonanza Magnetica (RMI) e Risonanza Magnetica funzionale (fRMI)
b. Tomografia ad Emissione di Positroni (PET)
c. Spettrografia Ottica agli Infra-Rossi (fNIRS)
e. Magnetoencefalografia (MEG)
f. Elettroencefalografia (EEG)
g. Esempi di applicazione

3. Decodificare l’attività cerebrale in tempo reale, come e perchè: Interazione Cervello-Computer (BCI) e modelli machine learning
a. Decodifica del segnale cerebrale e definizione di Brain Computer Interface (BCI)
b. Cenni su modelli machine learning lineari
c. Cenni su modelli machine learning non lineari
d. Esempi di applicazione clinica ed industriale
4. La misura delle emozioni: il Sistema Nervoso Periferico Autonomo e tecniche di misura delle attività correlate
a. Natura ed analisi del segnale Elettrocardiografico (ECG)
b. Valutazione e correlati del segnale ECG
c. Natura ed analisi del segnale Risposta Galvanica Cutanea (GSR)
d. Valutazione e correlati del segnale GSR
e. Natura ed analisi dei segnali oculometrici: EOG ed Eye Tracker
f. Valutazione e correlati dei segnali oculometrici

5. Sapere come valutare i risultati delle misure cerebrali: Definizione dei Protocolli Sperimentali e Validazione Statistica
a. Protocolli sperimentali base
b. Protocolli sperimentali Within e Between
c. Condizioni di controllo e preparazione del protocollo sperimentale
d. Validazione dei risultati e cenni di analisi statistica
e. Considerazioni sull’Etica e protezione dei dati (GDRP)

6. Neuroscienze applicate in contesti industriali e clinici
a. Valutazione di stati mentali in contesti aeronautici
b. Meccanismi di neuroplasticità durante l’addestramento
c. Neuroscienze uditive - cognitive in relazione all’utilizzo di impianti cocleari
d. Valutazione di pattern caratteristici in diverse popolazioni di pazienti con disabilità uditive
e. Valutazione dello stress di Controllori del Traffico Aereo
f. Valutazione di stati mentali nel contesto dell’automotive
g. Passive BCI ed automazioni adattive per migliorare l’interazione Uomo-Macchina\Cobot in contesti operativi ed industriali
h. Valutazione di stati mentali in contesti clinici
i. Neuroergonomia: definizione ed esempi di applicazioni
j. Neuroestetica: definizione ed esempi di applicazioni in contesti reali.

7. Misurare le scelte di consumo mediante le neuroscienze: il Neuromarketing
a. Le basi cerebrali delle funzioni superiori (attenzione, percezione, emozione, apprendimento, memoria, processi decisionali).
b. Metodologie di brain imaging nell’Uomo e uso della teoria dei giochi per studiare l’attività cerebrale nell’interazione sociale associata a rischi e benefici; uso delle metodologie di brain imaging (con particolare riferimento alle tecniche elettroencefalografiche e di risonanza magnetica nucleare) per valutare l’impatto delle comunicazioni pubblicitarie sull’attività cerebrale dell’Uomo.
c. Disegni sperimentali di Neuroeconomia e Neuromarketing per lo studio degli effetti di contenuti pubblicitari su attenzione, memoria ed emozioni.
d. Disegni sperimentali di Neuroeconomia e Neuromarketing per lo studio degli effetti dell’informazione politica sulle scelte di elettori.

Modulo: MODULO 1
Per l’espletamento dell’esame si consiglia l’approfondimento teorico già dall’inizio della frequenza al corso.
Allo scopo di consultazione e di approfondimento i libri consigliati sono:
Guyton e Hall: Fisiologia Umana. EdiSES, 2000
Berne e Levy: Fisiologia. Editrice Ambrosiana, 2000
Baldissera: Fisiologia e Biofisica medica. Poletto Editore
E. Kandel: Principles of Neural Science. McGraw-Hill Companies , 2000 (da consultare in biblioteca)
E. Kandel: Principles of Neural Science. McGraw-Hill Companies , 2000 (da consultare in biblioteca)


Modulo: MODULO 4
N/D
Modulo: MODULO 3
Libri consigliati

Aaron J. Newman, Research Methods for Cognitive Neuroscience, SAGE

Borghini et al., Industrial Neuroscience in Aviation, Biosystems & Biorobotics (BIOSYSROB, volume 7)

Vecchiato et al. Neuroelectrical Brain Imaging Tools for the Study of the Efficacy of TV Advertising Stimuli and their Application to Neuromarketing, Biosystems & Biorobotics (BIOSYSROB, volume 3)

Altri supporti didattici

Diapositive con le lezioni e prove di autovalutazione per la preparazione alla prova scritta (archivio elettronico indicato dai docenti).


Modulo: MODULO 2
Libri consigliati

Aaron J. Newman, Research Methods for Cognitive Neuroscience, SAGE

Borghini et al., Industrial Neuroscience in Aviation, Biosystems & Biorobotics (BIOSYSROB, volume 7)

Vecchiato et al. Neuroelectrical Brain Imaging Tools for the Study of the Efficacy of TV Advertising Stimuli and their Application to Neuromarketing, Biosystems & Biorobotics (BIOSYSROB, volume 3)

Altri supporti didattici

Diapositive con le lezioni e prove di autovalutazione per la preparazione alla prova scritta (archivio elettronico indicato dai docenti).

Modulo: MODULO 1
N/D
Modulo: MODULO 4
N/D
Modulo: MODULO 3
N/D
Modulo: MODULO 2
N/D

L’insegnamento consiste in lezioni frontali con gli studenti, eventualmente intervallate da seminari specifici e sessioni di programmazione per analisi di dati. Le lezioni sono tutte interattive, per cui il docente stimola gli studenti con domande alle quali essi, in virtù dei corsi già seguiti, possono dare risposta. Questo permette al docente di rendere evidenti i collegamenti tra il corso in essere e alcuni corsi precedenti, le cui nozioni hanno un ruolo chiave per la comprensione di quanto proposto a lezione. I continui richiami a nozioni di corsi precedenti devono abituare lo studente a non studiare la materia proposta come qualcosa di chiuso, finalizzato al superamento dell’esame finale, da archiviare subito dopo, ma vuole metter in luce uno studio multidisciplinare, a cui lo studente va educato, e che è assolutamente richiesto per uno studente della laurea magistrale, ormai quasi al termine del suo percorso formativo. Lo studente potrà trovare sulla piattaforma e-learning materiale didattico (programma d’esame, testi consigliati, link) utili per la preparazione dell’esame. Resta inteso che eventuale materiale messo a disposizione è da considerarsi una guida agli argomenti di esame, ma non sostituisce i testi consigliati.

La frequenza al corso non è obbligatoria.

Modalità di valutazione

Le modalità di valutazione dell’Insegnamento sono caratterizzate da appelli di esame fissati nelle sessioni programmate.
La prova di esame prevede un compito scritto con domande sia a risposta multipla sia a risposta aperta ed un colloquio orale sugli argomenti dell’Insegnamento, seguito da un chiarimento sui criteri di valutazione a richiesta dello studente o della studentessa.
L’obiettivo della prova di esame è di certificare le conoscenze dello studente sui principi fisici, caratteristiche elettroniche e di funzionamento delle principali tecniche di neuroimaging, elaborazione dei segnali neurofisiologici, principi di programmazione per analisi computazionali, validazione dei risultati in termini statistici, definizione di protocolli sperimentali, esempi di applicazioni cliniche ed industriali, e gestione degli aspetti etici e privacy dei dati raccolti. Gli argomenti esposti dovranno essere trattati con un linguaggio adeguato.
Gli elementi presi in esame ai fini della valutazione sono di seguito elencati: (1) la conoscenza della materia, in tutte le aree previste nel programma di insegnamento; (2) l'impiego di un linguaggio appropriato; (3) la capacità di ragionamento, di articolazione logica del discorso scritto e di integrazione delle competenze dimostrata nella risposta alle domande di esame. La natura scritta ed orale del compito consentirà di correggere la valutazione individuale dell’elaborato degli studenti secondo tecniche di “item analysis”, in modo da non penalizzare eccessivamente aree della risposta che risulteranno insufficienti nella maggioranza degli studenti impegnati un certo appello di esame. Inoltre, la valutazione del singolo studente/studentessa sarà condotta in modo comparativo con quelli degli altri compagni/compagne della prova di esame, in modo da garantire equanimità e riconoscere i meriti individuali nell’attribuzione delle votazioni.
Si terrà conto della (1) capacità dello studente di amministrare il tempo accordato per fornire le risposte in modo sintetico ma esauriente e (2) di raccordare i concetti chiave.

Modulo: MODULO 1
N/D
Modulo: MODULO 4
N/D
Modulo: MODULO 3
N/D
Modulo: MODULO 2
N/D

Modulo: MODULO 1
N/D
Modulo: MODULO 4
N/D
Modulo: MODULO 3
N/D
Modulo: MODULO 2
N/D