Elettrofisiologia neuronale: modelli descrittivi e applicazioni biomediche.

This thesis aims to describe in detail the most used models to explain the mechanisms of action potential generation. In the final part it will deepen the studies on neurological diseases and biomedical applications that are based on the principles of neuronal electrophysiology. In order to provide the knowledge necessary to understand the topics covered in the thesis, the first part of the paper aims to offer an overview of the structural characteristics and ionic transport phenomena that affect the cell membrane, providing also a description of the related parallel conductance model. Subsequently, the focus is on neurons, specifically on their structure and physiology, since knowing the characteristics of nerve cells will be essential to really understand what is discussed in the following chapter, dedicated to the action potential, that is the electrical impulse that transmits information from a certain stimulus. Once understood what the action potential consists of and how its transmission occurs within a single neuronal cell and between adjacent neurons, the Hodgkin and Huxley model for the neuronal membrane is presented, starting from the experiments that made its formulation possible and continuing with the description of the circuit that characterizes it. Next, it will be illustrated the integrate and fire model for neural networks, which is characterized by greater clarity compared to the HH model, thanks to a different approach in the analysis of the dynamics related to the electrical activity of neurons. As a closing topic, in the last chapter before the conclusions, it is highlighted how it has been possible, thanks to neuronal electrophysiology, to reach a better understanding of certain neurological diseases and to develop innovative biomedical applications for their treatment. Special attention will be given to the case of Parkinson's disease and the technique of deep brain stimulation.

Questa tesi ha l’obiettivo di descrivere in dettaglio i modelli più utilizzati per spiegare i meccanismi di generazione del potenziale d’azione, approfondendo in ultima parte gli studi su malattie neurologiche e le applicazioni biomediche che fondano le loro basi nei principi dell’elettrofisiologia neuronale. Al fine di fornire le conoscenze necessarie per comprendere gli argomenti trattati nell’elaborato, la prima parte dello scritto mira ad offrire una panoramica sulle caratteristiche strutturali e sui fenomeni di trasporto ionico che interessano la membrana cellulare. Di quest’ultima si illustra anche il relativo modello a conduttanze parallele. Successivamente, il focus si concentra sui neuroni, nello specifico sulla loro struttura e fisiologia. Difatti, conoscere al meglio le caratteristiche delle cellule nervose sarà fondamentale per affrontare quanto trattato nel capitolo seguente, dedicato al potenziale d’azione, ossia l’impulso elettrico che trasmette l’informazione proveniente da un certo stimolo. Compreso in che cosa consiste il potenziale d’azione e come avviene la sua trasmissione all’interno di una singola cellula neuronale e fra neuroni adiacenti, viene presentato il modello di Hodgkin e Huxley per la membrana neuronale, partendo dagli esperimenti che ne hanno reso possibile la formulazione e proseguendo con la descrizione del circuito elettrico equivalente che lo caratterizza. Il capitolo successivo illustra il modello Integrate-and-Fire per le reti neurali, caratterizzato da una maggiore semplicità rispetto al modello HH, grazie ad un diverso approccio nell’analisi della dinamica legata all’attività elettrica dei neuroni. Come argomento di chiusura, nell’ultimo capitolo prima delle conclusioni, si osserva come è stato possibile, grazie all'elettrofisiologia neuronale, giungere ad una maggiore comprensione di certe malattie neurologiche e allo sviluppo di applicazioni biomediche innovative per la cura delle stesse. Si darà particolare spazio al caso del morbo di Parkinson e alla tecnica di stimolazione cerebrale profonda.