Nel presente lavoro di tesi si indaga lo stato dell’arte sui metodi e approcci fisici usati per studiare gli effetti nella stimolazione dell’attività neuronale. È noto infatti che i neuroni comunicano tra loro tramite i collegamenti intercellulari definiti sinapsi e la comunicazione sinaptica avviene attraverso sostanze chimiche, dette neurotrasmettitori, che stimolano, tramite il passaggio dell’impulso nervoso, la cellula successiva. L’impulso nervoso, detto anche potenziale d’azione, si propaga lungo la fibra nervosa e determina delle modificazioni sia chimiche sia elettriche. I neuroni sono polarizzati, poiché presentano fuori dalla membrana cellulare una carica elettrica diversa da quella presente all’interno. La differenza di carica è determinata dagli ioni sodio e potassio presenti in percentuali diverse all’interno e all’esterno del neurone; tali ioni permettono, grazie all’ausilio di sistemi chiamati canali ionici, di trasmettere l’informazione lungo la cellula neuronale. Quando il potenziale d’azione raggiunge la sinapsi, le vescicole presenti sulla sua superficie liberano un neurotrasmettitore che si diffonde rapidamente tramite la fibra postsinaptica e si lega ad alcune molecole specifiche della membrana postsinaptica della cellula recettrice. La reazione con il neurotrasmettitore altera la permeabilità della membrana della fibra postsinaptica, dando origine ad un potenziale d’azione che consentirà la propagazione ulteriore dell’impulso nervoso. La tesi mira ad approfondire gli attuali metodi e approcci, ivi inclusi quelli che impiegano nanotecnologie, ottica e imaging nella prospettiva di individuare ambiti di applicazione, limiti di applicabilità e prospettive future per proporre soluzioni per coprire i gap ad oggi presenti nella comprensione dei meccanismi di stimolazione e il ruolo giocato da ogni parte del neurone. In this thesis we investigate the state of the art of the methods and physical approaches used to study the effects in the stimulation of neuronal activity. In fact, it is known that neurons communicate with each other through intercellular connections called synapses and synaptic communication occurs through chemicals, called neurotransmitters, which stimulate the next cell through the passage of the nerve impulse. The nerve impulse, also called action potential, propagates along the nerve fiber and determines both chemical and electrical changes. Neurons are polarized, since they have a different electrical charge outside the cell membrane from that present inside. The charge difference is determined by the sodium and potassium ions present in different percentages inside and outside the neuron; these ions allow, thanks to the help of structures called ion channels, to transmit information along the neuronal cell. When the action potential reaches the synapse, the vesicles on its surface release a neurotransmitter that rapidly spreads through the postsynaptic fiber and binds to some specific molecules of the postsynaptic membrane of the receptor cell. The reaction with the neurotransmitter alters the permeability of the membrane of the postsynaptic fiber, giving rise to an action potential that will allow further propagation of the nerve impulse. The thesis aims to deepen the current methods and approaches, including those that use nanotechnologies, optics and imaging in the perspective of identifying areas of application, limits of applicability and future perspectives to propose solutions to cover the gaps currently present in the understanding of the mechanisms of stimulation and the role played by each part of the neuron.

Approci fisici per lo studio degli effetti nella stimolazione dell'attività neuronale

Piccoli, Elena
2021/2022

Abstract

Nel presente lavoro di tesi si indaga lo stato dell’arte sui metodi e approcci fisici usati per studiare gli effetti nella stimolazione dell’attività neuronale. È noto infatti che i neuroni comunicano tra loro tramite i collegamenti intercellulari definiti sinapsi e la comunicazione sinaptica avviene attraverso sostanze chimiche, dette neurotrasmettitori, che stimolano, tramite il passaggio dell’impulso nervoso, la cellula successiva. L’impulso nervoso, detto anche potenziale d’azione, si propaga lungo la fibra nervosa e determina delle modificazioni sia chimiche sia elettriche. I neuroni sono polarizzati, poiché presentano fuori dalla membrana cellulare una carica elettrica diversa da quella presente all’interno. La differenza di carica è determinata dagli ioni sodio e potassio presenti in percentuali diverse all’interno e all’esterno del neurone; tali ioni permettono, grazie all’ausilio di sistemi chiamati canali ionici, di trasmettere l’informazione lungo la cellula neuronale. Quando il potenziale d’azione raggiunge la sinapsi, le vescicole presenti sulla sua superficie liberano un neurotrasmettitore che si diffonde rapidamente tramite la fibra postsinaptica e si lega ad alcune molecole specifiche della membrana postsinaptica della cellula recettrice. La reazione con il neurotrasmettitore altera la permeabilità della membrana della fibra postsinaptica, dando origine ad un potenziale d’azione che consentirà la propagazione ulteriore dell’impulso nervoso. La tesi mira ad approfondire gli attuali metodi e approcci, ivi inclusi quelli che impiegano nanotecnologie, ottica e imaging nella prospettiva di individuare ambiti di applicazione, limiti di applicabilità e prospettive future per proporre soluzioni per coprire i gap ad oggi presenti nella comprensione dei meccanismi di stimolazione e il ruolo giocato da ogni parte del neurone. In this thesis we investigate the state of the art of the methods and physical approaches used to study the effects in the stimulation of neuronal activity. In fact, it is known that neurons communicate with each other through intercellular connections called synapses and synaptic communication occurs through chemicals, called neurotransmitters, which stimulate the next cell through the passage of the nerve impulse. The nerve impulse, also called action potential, propagates along the nerve fiber and determines both chemical and electrical changes. Neurons are polarized, since they have a different electrical charge outside the cell membrane from that present inside. The charge difference is determined by the sodium and potassium ions present in different percentages inside and outside the neuron; these ions allow, thanks to the help of structures called ion channels, to transmit information along the neuronal cell. When the action potential reaches the synapse, the vesicles on its surface release a neurotransmitter that rapidly spreads through the postsynaptic fiber and binds to some specific molecules of the postsynaptic membrane of the receptor cell. The reaction with the neurotransmitter alters the permeability of the membrane of the postsynaptic fiber, giving rise to an action potential that will allow further propagation of the nerve impulse. The thesis aims to deepen the current methods and approaches, including those that use nanotechnologies, optics and imaging in the perspective of identifying areas of application, limits of applicability and future perspectives to propose solutions to cover the gaps currently present in the understanding of the mechanisms of stimulation and the role played by each part of the neuron.
2021-04
31
attività neuronale, impulso nervoso, neurotrasmettitore, potenziale d'azione, stimolazione elettromagnetica, canali ionici, punti quantici, irradiazione luminosa, fotoelettrodi neuronal activity, nerve impulse, neurotransmitter, action potential, electromagnetic stimulation, ion channels, quantum dots, light irradiation, photoelectrodes
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/21194