Scienze matematiche per l’intelligenza artificiale

Modulo I - La cellula: acidi nucleici, organuli, membrane cellulari. - Il neurone e i suoi domini funzionali; le cellule non neuronali (glia) e comunicazione neurone-glia. - Potenziale di membrana; Equilibri ionici: equazione di Nernst; equilibrio di Gibbs-Donnan; equilibrio elettrochimico ed equazione di Goldman. - Struttura e funzione dei canali ionici; Tecniche di misurazione di flussi ionici; Proprietà elettriche passive delle membrane cellulari: capacità e conduttanza. - Registrazioni elettrofisiologiche, potenziali e correnti di membrana: patch clamp, registrazioni intracellulari, registrazioni extracellulari, multi electrode array (MEA). - Propagazione passiva dei segnali elettrici: teoria del cavo, costante di tempo, costante di spazio. Potenziali elettrotonici (graduati). - Proprietà elettriche attive delle membrane. Il potenziale d'azione: generazione, basi ioniche e sua propagazione; Canali ionici voltaggio-attivati; Velocità di propagazione del potenziale d’azione e fattori che la influenzano; Blocco del voltaggio. - Trasmissione sinaptica elettrica. - Trasmissione sinaptica chimica; Meccanismo di rilascio del neurotrasmettitore: proteine coinvolte nella liberazione del neuromediatore, meccanismi di gating; accoppiamento depolarizzazione-rilascio del neurotrasmettitore, ruolo del calcio, natura quantica del rilascio; neurotrasmettitori “classici” e neuromediatori. - Recettori dei neurotrasmettitori: Recettori ionotropi (canali ionici ligando-attivati); Recettori metabotropi: vie di trasduzione del segnale. - Il potenziale post-sinaptico; il potenziale di inversione; sinapsi eccitatorie ed inibitorie. - Teoria reticolare e dottrina del neurone: Golgi, Cajal e Sherrington. Integrazione sinaptica. Sommazione temporale e spaziale dei potenziali postsinaptici. Proprietà attive dei dendriti.

Anche se il programma del corso prenderà avvio con un’introduzione alla cellula, ai suoi organuli e agli acidi nucleici, è fortemente consigliata una revisione preliminare di questi argomenti, così come dei principali concetti base di fisica, facendo riferimento ai manuali utilizzati durante il percorso liceale. Questa preparazione consentirà di affrontare con maggiore efficacia i contenuti del corso e di coglierne più agevolmente le connessioni interdisciplinari.

Per l'approfondimento e lo studio individuale degli argomenti trattati nelle lezioni si consiglia di utilizzare il seguente testo: - Neuroscienze (5a Edizione Italiana), a cura di Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, LaMantia. Mooney, Platt, e White. In alternativa si consigliano i seguenti testi: - Neuroscienze. Esplorando il cervello, a cura di Bear, Connors, e Paradiso. - Principi di Neuroscienze (5a Edizione Italiana), a cura di Kandel, Koester, Mack, e Siegelbaum. Ulteriore materiale didattico, incluse le diapositive delle lezioni, sarà reso disponibile sulla pagina web del corso sul sito di e-learning della Sapienza.

Il corso prevede una serie di lezioni frontali, attraverso le quali gli studenti apprenderanno i fondamenti di base delle neuroscienze. A tale fine, la prima parte del corso sarà incentrata sullo studio della cellula animale in generale (struttura e funzione di organuli cellulari, acidi nucleici, membrane cellulari; sintesi proteica; caratteristiche chimico-fisiche degli ambienti intra- ed extra-cellulari), per poi affrontare la cellula nervosa, le sue caratteristiche biofisiche, le proprietà elettriche e funzionali. La seconda parte del corso introdurrà lo studente allo studio di circuiti neuronali complessi, che sottintendono a specifiche funzioni cerebrali. Tra un modulo e il successivo si potrà decidere di inserire una prova in itinere in accordo con gli studenti

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria, ma è fortemente consigliata al fine di acquisire una comprensione più approfondita e consapevole della materia.

La prova d’esame è finalizzata a verificare sia il livello di conoscenza e approfondimento degli argomenti trattati nel programma, sia la capacità di ragionamento sviluppata dallo studente. L’esame consiste in una prova scritta, composta da una serie di domande a scelta multipla. Ogni domanda presenta quattro opzioni di risposta, di cui una sola è corretta. La valutazione è espressa in trentesimi: il punteggio minimo per il superamento dell’esame è 18/30, mentre il massimo è 30/30 con lode. È possibile scegliere tra due modalità di svolgimento: - Prova unica al termine del corso; - Due prove in itinere: una a metà corso e una alla fine. In questo caso, il voto finale sarà calcolato come media aritmetica delle due prove. Se il punteggio finale della prova scritta è pari o superiore a 27/30, lo studente potrà richiedere una domanda orale facoltativa al fine di incrementare la votazione. L’eventuale incremento verrà stabilito sulla base della performance orale.

La didattica sarà svolta con lezioni frontali in presenza. L'esposizione degli argomenti sarà coadiuvata dalla proiezione di slide esplicative. Le slide delle lezioni, così come ogni eventuale materiale didattico che il docente ritenga utile fornire ai fini dello studio individuale, saranno resi disponibili agli studenti sulla piattaforma Moodle.