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Oggetto:
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Modelli di reti neuronali

Codice attività didattica
MFN0389A
Docente
Prof. Mario Ferraro
Crediti/Valenza
3 - TAF "C
SSD attività didattica
FIS/02 - fisica teorica, modelli e metodi matematici
Tipologia unità didattica
modulo
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Programma



La comunicazione fra neuroni: richiami. Comunicazione sinaptica ed eccitabilità. La propagazione del segnale. Le basi molecolari: canali attivati da ligandi e voltaggio-dipendenti; meccanismi di attivazione e di modulazione
Il neurone come sistema dinamico. Il modello di Hodgkin-Huxley
Il neurone formale di McCulloch e Pitts e sue proprieta' computazionali
Le basi morfofunzionali dei comportamenti semplici: i riflessi. Il riflesso miotattico. Circuito semplificato. Il midollo spinale e la sua struttura.I fusi neuromuscolari e le fibre afferenti Ia. La via efferente gamma
Recettori tendinei del Golgi. Riflesso flessorio. Gli afferenti II: vie disinaptiche eccitatorie; fibre fasiche e fibre toniche.
Proprietà di rete e specificità dei singoli componenti: la diversità nelle proprietà elettorfisiologiche alla base della diversa funzione di motoneuroni, interneuroni, ecc.
Le cellule di Renshaw. un esempio di feedback inibitorio. Proprietà generali di connettività delle reti nervose: convergenza e divergenza; inibizione laterale.
Aspetti formali delle reti neurali: semplici modelli matematici
Cenni sui sistemi dinamici in due dimensioni
I moduli comportamentali di base: riflessi più schemi motori fissi. Controllo sovraspinale: vie corticospinali, vestibolospinali, tettospinali, reticolospinali
La corteccia motoria. Aree motorie, premotorie, accessorie. L'organizzazione della corteccia. Rappresentazione somatotopica
lo strato V. I neuroni piramidali. Le cellule di Betz. Altri tipi neuronali e loro funzione.
Il cervelletto. Corteccia cerebellare e nuclei profondi. La circuiteria della corteccia cerebellare
Proprietà dei diversi tipi di neuroni cerebellari. Cervelletto, corteccia motoria e controllo del movimento. I gangli della base. Feedback corteccia-gangli-corteccia
La visione: richiami di fisiologia dei fotorecettori; l'elaborazione delle immagini nella retina.  I principali circuiti retinici.
Proprietà delle cellule amacrine e gangliari.  Il nucleo genicolato laterale.  La corteccia visiva. Cellule semplici e cellule complesse
Modelli formali di interazione cono-orrizzontale e amacrina-bipolare: inibizione per sottrazione e divisione
La plasticità sinaptica. Un modello di invertebrato: abitudine e facilitazione in Aplysia
Plasticità sinaptica. Un modello di vertebrato: l'ippocampo e la Long Term Potentiation
Plasticita' sinaptica ed apprendimento:   modelli di apprendimento Hebbiani,  per rinforzo ,  (reinforcement learning) e competitivi (competitive  learning). Applicazioni ai sistemi biologici.
I neuroni specchio
La codifica del segnale neurale attraverso  il firing rate: metodi di calcolo ed interpretazioni   
Informazione trasportata da un treno di spikes. Altri modi di codifica del segnale neurale: rank order code.
Decodifica del segnale neurale: population coding,  il metodo della massima verosimiglianza e l'approccio bayesiano
esercitazioni: utilizzo di programmi in rete, dimostrazione di un esperimento di patch clamp.



Information transfer in the nervous system. Synaptic transmission and excitability.  Molecular basis of excitability: ligand activated and voltage dependent channels.
Tne neurons as a dynamical system. Hodgkin and Huxley model.
The formal neuron of McCulloch and Pitts and its computational properties.
The morphofunctional basis of simple behavioural responses: reflexes. The spinal cord. Spinal reflexes.
Network properties and specificity of individual components: the diversity in electrophysiological properties and its relationship to specific neuronal subtypes.
Renshaw cells as an example of inhibitory feedback. General network properties: convergence, divergence, lateral inhibition.
A mathematical approach to the modelling of neural networks. Two-dimensional dynamical systems.
Simple behavioural modules: reflexes plus fixed motor patterns. Cortical and subcortical control.
The motor cortex. Motor, premotor, accessory areas. Somatotopic representation.
Cortical layer V; pyramidal neurons and  interneurons : functional properties.
The cerebellum and its circuitery.
Electrophysiological properties of the different neuronal subtypes of the cerebellum.
Basal ganglia. Cortex-basal ganglia-cortex feedback mechanisms.
Vision. Image processing in the retina. Basic retinal circuitery.
Amacrine and ganglion cells. The LGN and the visual cortex. Simple and complex cells.
Formal models of cone-horizontal  cell and amacrine-bipolar cell interactions: inhibition by subtraction and division
Synaptic plasticity. A classical invertebtate model: habituation and facilitation in Aplysia. A vertebrate model: hippocampus and LTP.
Synaptic plasticity and learning. Hebbian models, reinforcement and competitive learning.
Mirror neurons.
Codification of information by means of firing rate: computational approaches. Other  codes: rank order code.
Interpretation of the neuronal signal: population coding, maximum likelihood approach, the Bayesian approach.
Practical work: use of simulation software, preliminary approach to the patch clamp technique.




Fornire conoscenze sulle proprietà funzionali di semplici circuiti nervosi, a partire da quelli coinvolti, a livello del midollo, nelle risposte riflesse, fino ai circuiti corticali e cerebellari responsabili del controllo motorio e della percezione sensoriale, e sulle proprietà delle cellule nervose che ne stanno alla base, integrandole con le conoscenze di base della modellistica matematica del comportamento di singoli neuroni e  di sistemi neurali. Le competenze da acquisire riguarderanno la neurofisiologia cellulare ed integrata e gli strumenti teorici di base per la modellizzazione di reti neuronali.



Kandel et al., Fondamenti delle neuroscienze e del comportamento,
Nicholls et al., Dai neuroni al cervello, Zanichelli, 
G. Shepherd, The synaptic organization of the brain, Oxford Univ. Press, 1990
G. Shepherd, Neurobiology, Oxford Univ. press, 1988

Infine sono di seguito indicati altri siti internet di interesse:
http://www.med.uwo.ca/physiology/courses/sensesweb/



Esame orale.



Non è richiesta nessuna propedeuticità.

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria; per i corsi di laboratorio e le attività di esercitazione relative ai corsi la frequenza è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste. 

Testi consigliati e bibliografia



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    Ultimo aggiornamento: 27/07/2009 14:02
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