Dissertations / Theses on the topic 'FISIOLOGIA UMANA'

2004/2005<br>In questo lavoro sono state studiate le proprietà elettriche di membrana di cellule muscolari scheletriche murine ed umane durante la miogenesi in vitro. In particolare, si è studiato il ruolo delle conduttanze Ca2+ e K+ Ca2+- dipendenti nel generare l'attività elettrica pacemaker osservata in concomitanza con la contrazione meccanica in cellule murine in coltura dopo 4-5 giorni in medium di differenziamento. I risultati hanno rivelato che correnti Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo T sono responsabili della depolarizzazione del potenziale di membrana che facilita il raggiungimento della soglia per la nascita di potenziali d'azione TTX sensibili. Correnti K+ Ca2+ dipendenti di tipo SK, apaminosensibili sono attivate grazie all'ingresso di Ca2+ promosso dal potenziale d'azione e mediano l' iperpolarizzazione post-spike che, a sua volta, rimuove l'inattivazione dei canali Ca2+ di tipo T. Il gioco tra queste due conduttanze ioniche Na+ e K+ è quindi responsabile dell'attività elettrica spontanea osservata nei miotubi murini. In cellule muscolari scheletriche umane, isolate da cellule satelliti, in cui non si osserva attività spontanea in mancanza del nervo, abbiamo studiato il ruolo del fattore neurotrofico di origine neuronale, agrina nella modulazione delle proprietà passive e attive di membrana. In particolare abbiamo evidenziato che l' agrina riduce la resistenza di membrana, aumenta il potenziale di membrana a riposo in direzione iperpolarizzante, favorisce l'espressione della pompa Na+-K+, regola negativamente l'espressione di correnti K+ di tipo SK, facilita l'attivazione di correnti Ca2+ di tipo L e riduce l'espressione di correnti Ca2+ di tipo T. Tali fenomeni sono tutti stati osservati essere coinvolti nel processo di maturazione delle cellule muscolari. A conferma di ciò abbiamo rilevato che l'agrina facilita l'espressione delle componenti lente e veloci della catena pesante della miosina, una delle proteine contrattili maggiormente coinvolte nel processo di contrazione muscolare. L' agrina neuronale induce quindi il differenziamento della cellula muscolare durante la sinaptogenesi mimando l'attività promossa in vivo a livello di giunzione neuromuscolare ali' arrivo del terminale nervoso.<br>XVIII Ciclo<br>1974<br>Versione digitalizzata della tesi di dottorato cartacea.

The function of ureter is to transport the urine from the kidney to the urinary bladder. Ureteral peristalsis, the principal motor event that propels urine along the ureter, is the result of coordinated contractions of longitudinal and circular smooth muscle inside the organ wall. Alterations of static and dynamic biomechanical properties of the ureteral wall lead to pathological states compromising regular urine transportation to bladder. Although knowledge on ureteral motility has advanced considerably, the molecular contractile mechanism of ureteral smooth muscle cells is not fully understood. This study provides information about baseline mechanical properties of the entire muscle and the molecular contractile mechanism in human ureter smooth muscle and proposed to investigate if changes in mechanical motor performance in different regions of isolated human ureter are attributable to differences in myosin crossbridge interactions. Classic mechanical, kinetic and energetic parameters derived from the tension-velocity relationship were studied in ureteral smooth muscle strips oriented longitudinally and circularly from abdominal and pelvic human ureter parts. By applying of Huxley’s mathematical model we calculated the total working crossbridge number per mm2 (Ψ), elementary force per single crossbridge (Π0), duration of maximum rate constant of crossbridge attachment 1/f1 and detachment 1/g2 and peak mechanical efficiency (Eff.max). Although no substantial differences exist in structural, biochemical and histological characteristics along the human ureter, abdominal longitudinal smooth muscle strips showed a higher maximum isometric tension, greater shortening, faster shortening velocity and higher maximum peak of work and power output than pelvic ones. Contractile differences were associated with significantly higher crossbridge number per mm2. Abdominal longitudinal muscle strips showed a lower duration of maximum rate constant of crossbridge attachment and detachment and higher peak mechanical efficiency than pelvic ones. Such data suggest that the abdominal human ureter exhibited better mechanical motor performance than pelvic ureter, mainly related to a higher crossbridge number and crossbridge kinetics differences. We believe that our results will be useful to understand better the physiology and physiopathology of ureteral smooth muscle, as well as improving the evaluation of pharmacological and surgical therapies in particular clinical cases.

The skeletal muscle fibers show a great functional eterogeneity regarding the parameters of the contractile response, the metabolic pathways involved in the generation of the ATP, the resistance to fatigue. This functional heterogeneity is the base of the ability of the skeletal muscles to respond to very diversified functional demands such as the maintenance of the posture for long time with low energy expenditure or the generation of fast and powerful movements. Fibers with the most suitable characteristics can be recruited in different situations. The specialization of the fibers is not permanent, as the fibers show a plasticity or malleability, they can modify their functional or structural properties to better respond to the functional demands. Therefore adult skeletal muscle is a highly malleable tissue which can respond positively to pharmacological, environmental, and mechanical stimuli with remarkable adaptations. In this work we investigated how single muscle fibers change their properties, altering both mechanical and morphological parameters such as isometric tension (Po), cross sectional area (CSA), and molecular aspects regarding MHC isoforms switchs and fiber type transitions. For this purpose our work presents three distinct tasks that correspond to three different stimuli induced in skeletal human muscle to characterize plasticity changes at single muscle fiber level. - The first purpose was to identify the impairment at single muscle fiber level with regard to age and, specifically, with regard to sarcopenia, associated with progressive loss of keletal muscle mass and strength. In view of contrasting results present in several studies about this focus, we compared three groups of healthy subjects divided according to their age: the young-adult group, the middle-age group and the elderly group. The following parameters were determined in single muscle fibres and compared in the three groups: isometric tension (Po), cross sectional area (CSA), and myosin content. - In the second step of this work we have investigated the effects of resistance traning at single muscle fiber level. Strength or resistance training is frequently used to improve muscle mass and performance. Although there are many studies on the relation between training protocols and fibre adaptations in lower limb muscles, there are relatively few data available on changes of fibre type, size and performance in upper limb muscles. This study aimed to analyse at muscle fibre level the effect strength training of shoulder muscles in 18 healthy subjects (9 men and 9 women) who trained three times a week for 2 months. These subjects were further divided in 2 groups assuming different amount of proteins. Single muscle fibres were dissected from biopsy samples and subject to mechanical and molecular analysis as above described. Finally in the last part of the study we considered the effect of training performed at high altitude. In this study we examined single muscle fibres taken from biopsy of seven male volunteers before and upon the return from the Himalayan Expedition during which they were chronically exposed to high altitude environment living spending about 30 days above 5000 m. Single muscle fibres were subject to mechanical and molecular analysis as above described.<br>Le fibre muscolari scheletriche mostrano una notevole eterogeneità funzionale per quanto concerne i parametri contrattili, le vie metaboliche coinvolte nella generazione di ATP, nonché la capacità di resistere alla fatica. Questa eterogeneità funzionale è alla base dell'abilità del muscolo scheletrico di rispondere a richieste funzionali di diversa natura, quali il mantenimento della postura nel lungo termine con un minimo dispendio di energia, che compensa invece un più alto consumo energetico per la generazione e il mantenimento di movimenti rapidi e potenti. In differenti situazioni verranno dunque reclutate quelle fibre che avranno le caratteristiche più idonee al caso. La specializzazione delle fibre, tuttavia, non è permanente poiché esse mostrano una notevole capacità plastica che permette loro di modificare le proprietà strutturali e funzionali per meglio rispondere alle richieste funzionali che possono presentarsi. Pertanto il muscolo scheletrico adulto si presenta come un tessuto altamente malleabile in grado di rispondere a stimoli di varia natura, farmacologici, ambientali, meccanici, con adattamenti sorprendenti. Il lavoro riportato in questa tesi mira a comprendere come singole fibre muscolari modifichino le loro proprietà , alterando sia parametri meccanici e morfologici quali, rispettivamente, la tensione isometrica (Po) e l'area della sezione traversa (CSA), che gli aspetti molecolari riguardanti i processi di switch delle isoforme delle catene pesanti della miosina (MHC) e le conseguenti transizioni dei tipi di fibre. A tal proposito la nostra ricerca si è sviluppata in tre fasi, in ciascuna delle quali è stato valutato l'effetto indotto sul muscolo scheletrico umano da un diverso stimolo, al fine di caratterizzare i cambiamenti di plasticità a cui le singole fibre vanno incontro. Il primo compito affrontato è stato quello di identificare eventuali alterazioni a livello di singola fibra in seguito al processo di invecchiamento e, in modo specifico, al processo di sarcopenia, associato ad una progressiva perdita di massa e forza muscolare. Poiché la letteratura mostra dati contrastanti riguardo i cambiamenti a livello di singole fibre durante il processo di senescenza, in questa prima fase è stato operato un confronto tra tre gruppi di soggetti suddivisi in relazione all'età in: young- adult group, middle age group e elderly group. Singole fibre muscolari sono state sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari. Successivamente sono stati studiati gli effetti di un allenamento di forza a livello di singole fibre. Questo tipo di allenamento viene utilizzato per aumentare la massa muscolare e migliorarne la performance. Sebbene la letteratura riporti numerosi studi sull'adattamento in seguito a programmi di resistance training (allenamento di forza) riguardanti i muscoli degli arti inferiori, pochi sono gli studi effettuati sui muscoli degli arti superiori. Per valutare l'effetto di un allenamento di forza su muscoli della spalla sono stati reclutati 18 soggetti (9 uomini e 9 donne) sottoposti ad allenamento 3 volte a settimana per due mesi. Questi sono stati ulteriormente divisi in due gruppi in base ad un differente apporto proteico. Singole fibre muscolari prelevate dai campioni bioptici sono state poi sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari come nel caso dei campioni riguardanti la prima fase dello studio. Infine, nell'ultima parte della ricerca, sono stati valutati gli effetti di un allenamento svolto in condizioni di alta quota, durante una spedizione sul monte Manaslu (Himalaya). Sono state isolate singole fibre a partire da biopsie di 7 volontari, uomini, prelevate prima e dopo la spedizione, durante la quale per circa 30 giorni hanno vissuto ad elevate altitudini (5000 m), e sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari.

Introduzione. Negli ultimi 10 anni è stata più volte dimostrata la presenza di una interazione reciproca tra il sistema dei peptidi natriuretici (NP) e il tessuto adiposo. I recettori dei NP, NPRA e NPRC, sono stati identificati sia nel tessuto adiposo di ratto sia in quello umano. Più recentemente i NP sono stati anche descritti come ormoni in grado di attivare la via lipolitica a livello degli adipociti in modo primate specifico. Gli adipociti rispondono infatti al trattamento con ANP inducendo la lipolisi in modo paragonabile a quella indotta dalle cotecolamine via recettori -adrenergici. Considerando quindi il parallelismo tra NP e catecolamine in termini di effetti sulla mobilitazione degli acidi grassi, siamo andati a verificare se i NP, come è ben noto per le catecolamine, siano anche in grado di stimolare il programma di termogenesi tipico degli adipociti bruni. Metodi. Per rispondere a tale quesito, sono stati condotti studi in vitro utilizzando sia adipociti in coltura primaria, ottenuti da tessuto adiposo umano, sia una linea cellulare umana SGBS ottenuta da cellulule staminali di tessuto adiposo sottocutaneo. La metodica di Real time qPCR è stata utilizzata per l’analisi quantitativa dei livelli di espressione dei geni: adiponectina e leptina (markers di adipociti); uncoupling protein 1 (UCP1), -1α (PGC1α), Cytocrome C (marker di termogenesi e mitocondriogenesi), recettore attivo NPRA e di clearence NPRC e recettori β3-adrenergici. Risultati. I risultati ottenuti mostrano che l’ANP agisce in vitro su entrambi i modelli cellulari inducendo non solo la lipolisi, come già noto, ma è in grado di indurre ed attivare l’espressione genica dei marker tipici del programma di termogenesi. In particolare il trattamento con concentrazioni fisiologiche di ANP, induce l’espressione dei geni UCP1, PGC-1α e CYTO C, marker tipici del tessuto adiposo bruno, anche negli adipociti ottenuti da tessuto adiposo sottocutaneo. Conclusioni. I peptidi natriuretici, via NPRA, promuovono negli adipociti bianchi l’acquisizione di caratteristiche e funzionalità dell’adipocita bruno attivando il programma di termogenesi, fisiologico meccanismo “brucia grassi” per cui si ha dispersione degli acidi grassi sotto forma di calore. Futuri studi saranno condotti per determinare la regolazione del recettore attivo NPRA e del recettore di clearance NPRC in modo da determinare come il rapporto NPRA/NRPC possa influenzare e predisporre all'obesità.<br>Background: In the past 10 years, the crosstalk between natriuretic peptide system and adipose tissue was well described. NP receptors were found in the adipose tissue of rats and humans. More recently NP were demonstrated to be able to activate the lipolytic pathway in primate adipocytes. NP treatment is able to induce lipolysis with the same potency of catecholamine through -3 adrenoreceptors. As cardiac natriuretic peptides and βAR agonists are similarly potent at stimulating fatty acid mobilization in human adipocytes, we investigated whether NPs could induce thermogenic program in human adipocyte. Methods. Primary adipocytes from human adipose tissue and SGSB cell line were used to investigate the effect of ANP on gene expression. qPCR was used to analyze the expression levels of: leptin and adiponectin (adipocyte markers), uncoupling protein 1 (UCP1), -1α (PGC1α), and Cytocrome C (thermogenic and mitochondriogenesis markers), and NP active receptor (NPRA) and NP clearance receptor (NPRC) as well as -3 adrenergic receptor. Results. Both primary and SGSB cultures were able to respond to ANP treatment at physiological concentration not only inducing lipolysis but also the thermogenic program. UCP1, PGC1α, and Cytocrome C were highly expressed after ANP treatment also in white adipocytes. Discussion. In human adipocytes, atrial NP (ANP) and ventricular NP (BNP) activated (PGC-1α) and UCP1 expression and induced mitochondriogenesis. These results suggest that NPs promote “browning” of white adipocytes to increase energy expenditure burning fatty acid and produce heat. Future studies will be conducted to verify the regulation of NPRA and NPRC in adipose tissues and to understand how the ratio between these two receptors can modulate the NP metabolic activities.

Normal placentation requires a highly coordinated control of proliferation, migration and invasiveness of extravillous trophoblast (EVT) cells. Since prostaglandin E2 is a major prostanoid synthesized by intrauterine tissues and highly involved in pregnancy homeostasis, we examined the possibility that it modulates EVT cell functions. Here, we report the presence of both mRNAs and proteins for prostaglandin E2 (PGE2) EP2 and EP4 receptor isoforms in first-trimester human chorionic villi and in the human trophoblast-derived HTR-8/SVneo cells. Moreover, we found that the prostanoid consistently inhibits serum- or epidermal growth factor-induced cell proliferation and migration. An involvement of cAMP in the PGE2 antiproliferative action is suggested by the observation that the prostanoid greatly enhances cAMP level in HTR-8/SVneo cells and that forskolin inhibits cell proliferation and migration. Provided that our data are applicable to the trophoblast tissue in vivo, we suggest that PGE2 exerts an important control on EVT cell functions, preventing their excessive proliferation and migration. Moreover we have tested the hypothesis that human early trophoblast is a target for somatostatin (SRIF) regulatory actions. We report for the first time that SRIF receptor isoform SSTR2A and 2B transcripts and proteins are present in first-trimester human chorionic villi and HTR-8/SVneo cells. In this cell line, SRIF receptors are functional, since the peptide reduces PGE2- and forskolin-stimulated cAMP concentration. Moreover, SRIF enhanes HTR-8/SVneo cells proliferation and migration, supporting the idea that the peptide regulates early trophoblast functions mainly through an interaction with the receptor isoform SSTR2. Considering the fundamental role of cAMP in the regulation of early trophoblast functions, we also characterized the AC/cAMP system in HTR-8/SVneo cells, analysing the expression of the enzyme isoforms and G protein α subunits. We found the presence of AC3, AC5, AC6, AC7, AC9 isoforms, being AC6 the major isoform expressed. As for G proteins, Gαs and Gαq isoforms are much more expressed with respect to Gαi and Gαo. Our data on the role of cAMP in the modulation of trophoblast functions are in line with the expression level of both AC isoforms and G alfa proteins in the HTR-8/SVneo cells, considering their biochemical and functional properties In conclusion, provided that our data are applicable to the trophoblast tissue in vivo, we suggest an involvement of AC/cAMP pathway in mediating SRIF and PGE2 effects on proliferation and migration of the extravillous trophoblast cells.

Questo lavoro traccia un quadro della diffusione e trasmissione delle conoscenze riguardanti l’anatomia e la fisiologia del corpo umano nel mondo iranico in età sasanide (III-VII sec. d.C.). La tesi analizza il ruolo delle scuole di medicina in territorio iranico, come quelle sorte a Nisibi e Gundēšābūr, delle figure dei re sasanidi interessati alla filosofia e alla scienza greca, e dei centri di studio teologico e medico che, ad opera dei cristiani siro-orientali, si fecero promotori della conoscenza medico-scientifica greca in terra d’Iran.<br>This paper provides an overview of the spread and transmission of knowledge about the anatomy and physiology of the human body in the Iranian world in Sasanian times (3rd to 7th Century AD). The thesis analyzes the role of medical schools in the Iranian territory, such as those arising in Nisibis and Gundēšābūr, the figures of the Sasanian kings interested in philosophy and Greek science, and theological study centers and physicians who, by the work of East-Syrian Christians, became promoters of Greek scientific medical knowledge in the Iranian world.

Questo lavoro traccia un quadro della diffusione e trasmissione delle conoscenze riguardanti l’anatomia e la fisiologia del corpo umano nel mondo iranico in età sasanide (III-VII sec. d.C.). La tesi analizza il ruolo delle scuole di medicina in territorio iranico, come quelle sorte a Nisibi e Gundēšābūr, delle figure dei re sasanidi interessati alla filosofia e alla scienza greca, e dei centri di studio teologico e medico che, ad opera dei cristiani siro-orientali, si fecero promotori della conoscenza medico-scientifica greca in terra d’Iran.<br>This paper provides an overview of the spread and transmission of knowledge about the anatomy and physiology of the human body in the Iranian world in Sasanian times (3rd to 7th Century AD). The thesis analyzes the role of medical schools in the Iranian territory, such as those arising in Nisibis and Gundēšābūr, the figures of the Sasanian kings interested in philosophy and Greek science, and theological study centers and physicians who, by the work of East-Syrian Christians, became promoters of Greek scientific medical knowledge in the Iranian world.

Una vasta area della regione Veneto è stata colpita da una contaminazione da sostanze perfluoroalchiliche (PFAS) avvenuta principalmente nelle acque sotterranee e potabili. L'esposizione della popolazione è iniziata probabilmente negli anni Sessanta ed è diminuita dopo l'installazione di filtri nel 2013. La Regione Veneto sta conducendo uno studio di biomonitoraggio per indagare le condizioni di salute della popolazione esposta, raccogliendo migliaia di campioni di siero. Alcuni modelli di farmacocinetica su base fisiologica (PBPK) sono in fase di sperimentazione confrontando i livelli misurati di PFOA e PFOS con quelli stimati, al fine di trovare il modello che meglio si adatta ai dati disponibili.<br>A wide area in the Veneto region has been facing a perfluoroalkyl substances (PFAS) contamination which occurred mainly in groundwater and drinking water. Exposure of the population likely started in the Sixties and decreased after filter installations in 2013. The Veneto Region is conducting a biomonitoring study to investigate health conditions of the exposed population, collecting thousands of serum samples. Some Physiologically based Pharmacokinetic (PBPK) models are being tested comparing PFOA and PFOS measured levels with the estimated ones in order to find the model that best fits the available data.

GnRH analogues are used for the treatment of prostate cancer (PCa) because their ability to suppress the activity of the pituitary-testicular axis, with consequent blockade of testosterone production. However, after an initial responsiveness to hormonal deprivation, PCa progresses and then metastatises. It is known that the system of the plasminogen activator (uPA, uPA inhibitors PAI-1/2 and uPA receptor, uPAR) has been involved in the local degradation of the extracellular matrix and PCa progression and metastases. Studies performed in our laboratory have demonstrated the presence of GnRH receptors, suggesting a direct effect of GnRH analogues in inhibiting the proliferation of human PCa cell lines. The aim of this study was to test the effect of an agonist (Leuprolide) and an antagonist (Cetrorelix) of GnRH on uPA/uPAR and PAI-1 expression and activity, on the migratory and invasion capabilities in the two androgen-independent cell lines, DU145 and PC3 cells. The results obtained in DU145 and PC3 cells show that both Leuprolide and Cetrorelix: 1) significantly decrease the enzymatic activity of uPA; 2) induce a marked decrease of uPA and a significant increase of PAI-1 protein levels; 3) increase the presence of soluble uPAR in the cell media; 4) decrease the migratory and invasion capabilities. In conclusions, GnRH analogues might interfere with the mechanisms of metastatic progression of human androgen-independent PCa by inhibiting the activity of the plasminogen activator system.

La crescente generazione e trasmissione di energia elettrica, con lo sviluppo di nuovi sistemi di telecomunicazione e delle applicazioni mediche e industriali, ha fatto sorgere la volontà di indagare sui potenziali effetti nocivi dei campi elettromagnetici (CEM) sulla fisiologia delle cellule dell’organismo umano. Lo scopo della tesi è quindi quello di svolgere attività di ricerca al fine di rendere disponibili dati affidabili sugli effetti biologici dei CEM, come prerogativa per la protezione della salute umana. Questo studio è incentrato sui potenziali effetti dei CEM ad alta frequenza (HF-EMF) su cellule umane di trofoblasto HTR-8/SVneo. Per simulare i CEM generati dall’uso di un telefono cellulare GSM (Global System for Mobile Communications) è stato utilizzato un sistema di esposizione realizzato dall’IT’S-Foundation di Zurigo. Gli esperimenti sono stati svolti a frequenza portante di 1.8 GHz con esposizione intermittente (5 minuti on 10 minuti off) per 1 e 24 ore. ediante il software che gestisce il funzionamento dell’irraggiatore sono state impostate tre modalità di irraggiamento: Continuos Wavelength signal (CW), GSM-217 Hz amplitude modulation e GSM-Talk. Gli esperimenti effettuati si basano sul confronto di campioni di cellule irraggiate e campioni di controllo. Dopo l’irraggiamento, sono stati fatti tre tipi di analisi per valutare tre endpoint: analisi delle citochine IL-6,IL-8,TNFα e MCP-1 per valutare l’infiammazione cellulare, colorazione con cristal violetto per valutare la migrazione cellulare, e infine analisi della Caspasi-3 per valutare l’apoptosi cellulare tramite la tecnica del Western Blotting. Le differenze di ciascun campione rispetto al controllo sono state valutate mediante t-test (Sigma Stat)(p < 0.05). Per nessuno degli esperimenti i campioni trattati sono risultati significativamente diversi dal controllo, potendo concludere che l’esposizione di cellule di trofoblasto a HF-EMF non provoca danni in termini di infiammazione, migrazione e apoptosi cellulare.

La degenerazione dei neuroni dopaminergici (DA) del mesencefalo ventrale è considerata uno dei segni distintivi della malattia di Parkinson (PD) e del Parkinsonismo. La loro suscettibilità al danno e la loro adattabilità e plasticità sono state inizialmente studiate in modelli animali per comprendere i meccanismi cellulari e molecolari e l'azione delle terapie farmacologiche. La recente introduzione della tecnologia delle cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSCs) e lo sviluppo di protocolli per la loro differenziazione in neuroni con un fenotipo DA ha permesso la valutazione diretta dei meccanismi cellulari del PD e del Parkinsonismo, il meccanismo d'azione dei farmaci antiparkinsoniani e le applicazioni esplorative di vari aspetti della terapia cellulare. Lo scopo di questa tesi è la generazione e la caratterizzazione fenotipica di neuroni DA umani utilizzabili come strumento per lo sviluppo di una varietà di dispositivi terapeutici basati sulla terapia cellulare, in particolare dispositivi elettronici impiantabili interamente organici. Questi dispositivi sono stati progettati per essere impiantati in modelli animali di PD per una terapia loco-regionale guidata da stimoli elettrici e chimici per supportare l'attecchimento dei precursori dei neuroni DA, massimizzando la loro differenziazione e funzione. Al fine di ottenere precursori di neuroni DA umani di alta qualità e riproducibili che siano in grado di differenziarsi e maturare in neuroni DA funzionali che rispondono a stimoli elettrici e chimici, questo lavoro è stato organizzato in quattro sottoprogetti principali. Il primo sottoprogetto è stato dedicato all'ottimizzazione dei metodi di differenziazione delle iPSCs umane in precursori dei neuroni DA mesencefalici utilizzando un protocollo precedentemente pubblicato (Fedele et al. 2017). Questi precursori dei neuroni DA possono essere espansi per diversi passaggi e conservati in azoto liquido per qualsiasi uso futuro. Il secondo sottoprogetto è stato dedicato alla differenziazione dei precursori DA mesencefalici in neuroni DA maturi che sono stati caratterizzati mediante immunofluorescenza, PCR quantitativa, HPLC ed analisi elettrofisiologiche. Il fenotipo DA dei neuroni è stato studiato testando la loro risposta a due agonisti dopaminergici (pramipexolo e piribedil) attualmente utilizzati per il trattamento del PD. Dati recenti hanno dimostrato un effetto neurotrofico prodotto da un agonista antiparkinsoniano del recettore DA D2/D3, il ropinirolo (Collo et al. 2018). Sulla base di questi risultati, sono stati valutati gli effetti cellulari e molecolari di pramipexolo e piribedil sui neuroni DA umani studiando i cambiamenti morfologici correlati alla plasticità strutturale e l'attivazione delle vie intracellulari. Sono state studiate anche le proprietà neuroprotettive e neurorigenerative di questi due agenti farmacologici. Il terzo sottoprogetto è stato dedicato allo studio degli effetti della stimolazione elettrica sulla plasticità strutturale dei neuroni DA umani. Diversi lavori hanno dimostrato che la stimolazione elettrica può promuovere la differenziazione neuronale e la crescita dei neuriti di vari tipi di cellule neuronali in vitro, tra cui PC12 e cellule staminali neurali umane. Il quarto sottoprogetto è stato dedicato alla generazione di iPSCs umane da cellule mononucleate del sangue periferico (PBMCs) donate da nuovi controlli sani e pazienti affetti da un Parkinsonismo, l’atrofia multisistemica (MSA). I cloni di iPSCs ottenuti dal controllo e dal paziente sono stati sottoposti a caratterizzazione fenotipica per esaminare la presenza di marcatori di pluripotenza mediante immunofluorescenza, PCR quantitativa, analisi del cariotipo, pluripotenza e capacità di differenziazione nei tre foglietti embrionali. Le iPSCs sono state successivamente differenziate in neuroni DA mesencefalici e valutate per la loro risposta farmacologica agli agonisti dopaminergici.<br>The degeneration of dopaminergic (DA) neurons of the ventral mesencephalon is considered one of the hallmarks in Parkinson’s disease (PD) and Parkinsonism. Their susceptibility to damage and their adaptability and plasticity were initially studied in animal models in order to understand the cellular and molecular mechanisms and the action of pharmacological therapeutics. The recent introduction of human inducible pluripotent stem cells (iPSCs) technology and the development of protocols for their differentiation into neurons with a DA phenotype has permitted the direct evaluation of cellular mechanisms of PD and Parkinsonism, the mechanism of action of anti-parkinsonian drugs and the exploratory applications of various aspects of cell therapy. The aim of this thesis was the generation and phenotypic characterization of human DA neurons amenable to be used as a tool for the development of a variety of therapeutic devices based on cell therapy, in particular implantable whole-organic electronic devices. These devices were designed to be implanted in animal models of PD for a loco-regional therapy driven by electrical and chemical stimuli to support the engraftment of DA neuron precursors, maximizing their differentiation and function. In order to achieve high quality and reproducible human DA neuron precursors that are able to differentiate and mature into functional DA neurons that respond to electrical and chemical stimuli, therefore amenable to the above described use, this work was organized in four main subprojects. The first subproject was dedicated to the optimization of the methods of differentiation of human iPSCs into mesencephalic DA neuron precursors using a previously published protocol (Fedele et al. 2017). These DA neuron precursors can be expanded for several passages and stored in liquid nitrogen for any future use. The second subproject was dedicated to the differentiation of mesencephalic DA precursors into mature DA neurons that were characterized by immunofluorescence, quantitative PCR, HPLC and electrophysiological analyses. The DA phenotype of the neurons was investigated by testing their response to two dopaminergic agonists (i.e., pramipexole and piribedil) currently used for the treatment of PD. Recent data have demonstrated a neurotrophic effect produced by an anti-parkinsonian DA D2/D3 receptor (D2R/D3R) agonist, ropinirole (Collo et al. 2018). Based on these findings, the cellular and molecular effects of pramipexole and piribedil on human DA neurons were evaluated by studying morphological changes related to structural plasticity and the activation of intracellular pathways. The neuroprotective and neuroregenerative properties of these two pharmacological agents were also studied. The third subproject was dedicated to the study of the effects of the electrical stimulation on the structural plasticity of human DA neurons. Several reports have shown that electrical stimulation can promote neuronal differentiation and neurite growth of various neuronal cell types in vitro, including PC12 (Jing et al. 2019) and human neural stem cells (Stewart et al. 2015). The fourth subproject was dedicated to the generation of human iPSCs from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) donated from a novel set of healthy controls and patients affected by a Parkinsonism, i.e., the multiple system atrophy (MSA). The iPSC clones obtained from the control and the patient underwent a phenotypic characterization to examine the presence of pluripotency markers by immunofluorescence and quantitative PCR analysis, karyotype analysis, pluripotency and trilineage differentiation potential. The iPSCs were subsequently differentiated into mesencephalic DA neurons and assessed for their pharmacological response to dopaminergic agonists.

In questa tesi descriviamo una procedura automatizzata per l’analisi della corteccia motoria dello scimpanzè, del Macaca fascicularis e del cavallo, basata su un nuovo metodo computerizzato di analisi delle sezioni colorate attraverso il metodo di Nissl, al fine di studiare la corteccia cerebrale in specie differenti. Le microfotografie delle sezioni sono state elaborate con una procedura standardizzata usando il software ImageJ. Questa procedura ha previsto la suddivisione degli strati corticali, dal primo al sesto, in diversi frames. Per misurare la complessità delle cellule nervose (cioè quanto una cellula fosse diversa dalle adiacenti) abbiamo utilizzato un modello di rappresentazione statistica non-parametrica che mostra come la complessità può essere espressa in termini di un adeguato indice di dispersione statistica quale il MAD (mean absolute deviation). Abbiamo quindi dimostrato che gli strati piramidali della corteccia motoria del cavallo sono più irregolari di quelli di scimpanzè e Macaca fascicularis. La combinazione dell’analisi automatica delle immagini e delle analisi statistiche consente pertanto di confrontare e classificare la complessità della corteccia motoria attraverso diverse specie. Il modello viene proposto come strumento al fine di contribuire a stabilire le somiglianze cerebrali tra umani e animali, rispettando il principio delle 3R.<br>In this thesis we describe an automated procedure based on a new computerized method of partitioning Nissl-stained sections of the motor cortex of the chimpanzee, crab-eating monkey, and horse, to study the neocortex in different species. Microphotographs of the sections were first processed using a standard procedure in ImageJ, then the stained neuronal profiles were analyzed within continuously adjoining frames from the first to the sixth layer of neocortex. To measure the neuronal complexity (how a given cell is different from its neighbors) we used a general non-parametric data representation model showing that the complexity can be expressed in terms of a suitable measure of statistical dispersion such as the mean absolute deviation. We demonstrated that the pyramidal layers of the motor cortex of the horse are more irregular than those of the monkeys studied. The combination of automated image analysis and statistical analysis made it possible to compare and rank the motor cortex complexity across different species. Therefore, we are confident that our work will help to establish brain similarities between humans and animals used for alimentary purpose, whose brain is often discarded. This, in turn, will allow to carry out the experimental brain research obeying the 3Rs principle.

In questa tesi descriviamo una procedura automatizzata per l’analisi della corteccia motoria dello scimpanzè, del Macaca fascicularis e del cavallo, basata su un nuovo metodo computerizzato di analisi delle sezioni colorate attraverso il metodo di Nissl, al fine di studiare la corteccia cerebrale in specie differenti. Le microfotografie delle sezioni sono state elaborate con una procedura standardizzata usando il software ImageJ. Questa procedura ha previsto la suddivisione degli strati corticali, dal primo al sesto, in diversi frames. Per misurare la complessità delle cellule nervose (cioè quanto una cellula fosse diversa dalle adiacenti) abbiamo utilizzato un modello di rappresentazione statistica non-parametrica che mostra come la complessità può essere espressa in termini di un adeguato indice di dispersione statistica quale il MAD (mean absolute deviation). Abbiamo quindi dimostrato che gli strati piramidali della corteccia motoria del cavallo sono più irregolari di quelli di scimpanzè e Macaca fascicularis. La combinazione dell’analisi automatica delle immagini e delle analisi statistiche consente pertanto di confrontare e classificare la complessità della corteccia motoria attraverso diverse specie. Il modello viene proposto come strumento al fine di contribuire a stabilire le somiglianze cerebrali tra umani e animali, rispettando il principio delle 3R.<br>In this thesis we describe an automated procedure based on a new computerized method of partitioning Nissl-stained sections of the motor cortex of the chimpanzee, crab-eating monkey, and horse, to study the neocortex in different species. Microphotographs of the sections were first processed using a standard procedure in ImageJ, then the stained neuronal profiles were analyzed within continuously adjoining frames from the first to the sixth layer of neocortex. To measure the neuronal complexity (how a given cell is different from its neighbors) we used a general non-parametric data representation model showing that the complexity can be expressed in terms of a suitable measure of statistical dispersion such as the mean absolute deviation. We demonstrated that the pyramidal layers of the motor cortex of the horse are more irregular than those of the monkeys studied. The combination of automated image analysis and statistical analysis made it possible to compare and rank the motor cortex complexity across different species. Therefore, we are confident that our work will help to establish brain similarities between humans and animals used for alimentary purpose, whose brain is often discarded. This, in turn, will allow to carry out the experimental brain research obeying the 3Rs principle.

Gli studi neurofisiologici nei primati non-umani sono essenziali per capire le funzioni e le disfunzioni del cervello umano. Ciononostante le condizioni sperimentali altamente controllate possono ostacolare la possibilità di generalizzare le scoperte a situazioni più vicine all’ambiente naturale, limitando inoltre il range di possibili comportamenti da studiare. In questa tesi verranno approfondite queste problematiche andando ad utilizzare tecniche etologiche e neurofisiologiche per registrare contemporaneamente dati comportamentali e neurali in macachi all’interno di una gabbia trasparente (NeuroEthoRoom, NER) con un approccio a due fasi: prima in una condizione laboratoriale canonica, e poi durante il comportamento libero. Abbiamo registrato neuroni dalla corteccia premotoria ventrale (PMv) in entrambe le condizioni. Con le analisi di generalizzazione è stato trovato che le proprietà funzionali neuronali misurate durante la condizione laboratoriale canonica spiegano solo parzialmente l’attivazione degli stessi neuroni durante il comportamento libero. Durante la seconda parte della sessione, quindi durante il comportamento libero, è stato possibile trovare una più grande varietà di comportamenti spontanei dall’attività della PMv. I risultati dimostrano come questo approccio in due fasi possa aprire la strada allo studio del comportamento sociale ed emotivo in primati in condizioni di libertà.<br>Neurophysiological studies in nonhuman primates are essential to understand human brain functions and dysfunctions. However, highly controlled laboratory settings hinder the possibility to generalize the findings to unconstrained, close-to-natural situations and strongly limit the range of investigable behaviors. Here, we addressed these issues by leveraging ethological and neurophysiological techniques to simultaneously record behavioral and neural data in monkeys from a transparent plastic enclosure (NeuroEthoRoom, NER) with a two-step approach: first, in a head-restrained laboratory setting, and then during free behavior. We recorded ventral premotor (PMv) neurons during both conditions. Generalization analyses revealed that the neuronal functional properties measured in the head-restrained condition only partially explain the firing statistics of the same neurons during free behavior. By contrast, during the second part of the session it was possible to readout a larger variety of spontaneous behavior from PMv activity. Our findings demonstrate that a two-step approach can open up new avenues to the study of social and emotional domains in freely behaving primates.

In recent years, high-intensity interval training (HIIT) has received considerable attention from the scientific community owing to its effectiveness in enhancing exercise performance and improving cardiovascular and metabolic health. HIIT promotes a number of adaptations resembling those associated with traditional endurance exercise, including quantitative and qualitative changes at the skeletal muscle mitochondrial level. However, the mechanisms underlying these similar adaptive responses in spite of divergent exercise stimuli are not completely clear. Hence, the examination of the skeletal muscle adaptive responses to HIIT with particular emphasis on the cellular pathways regulating mitochondrial quantity, quality and function would provide new insights into the mechanisms involved in the performance- and health-enhancing effects of HIIT. Thus, the overall purpose of this thesis was to investigate the acute and chronic effects of HIIT in humans with specific emphasis on the adaptations occurring in skeletal muscle mitochondria.

La percezione visiva di facce e stimoli corporei non facciali porta all’attivazione di distinte aree corticali. Inoltre, nonostante sia intimamente collegata, l’azione e la forma corporea sembrano essere rappresentate in distinti sistemi neurali. Studi di lesioni cerebrali hanno mostrato specifici disturbi associati con l’elaborazione del volto umano, tuttavia non vi sono nella letteratura scientifica prove dell’esistenza di disturbi specifici per il riconoscimento di parti del corpo non facciali. Nel presente studio è stata dimostrata, attraverso la combinazione di paradigmi psicofisici e tecniche avanzate di analisi e mappatura lesionale, la presenza di disturbi di riconoscimento di facce o di parti del corpo non facciali in seguito a lesioni corticali che coinvolgono rispettivamente la corteccia occipitale ventro-mediale o la corteccia occipitale laterale. Inoltre, sono stati documentati disturbi di riconoscimento visivo specifici per la forma o l’azione di parti del corpo umano escluse le facce, associati rispettivamente ad una lesione nelle regioni occipito-temporali oppure nelle aree premotorie. Questi disturbi categoria-specifici, chiamati agnosia per il corpo e l’azione umana, ci suggeriscono che l'analisi visiva di stimoli costituiti da parti del corpo umano possa essere effettuata da almeno due sistemi corticali, le aree posteriori occipitotemporali, implicate nell’elaborazione dell’identità corporea e le aree premotorie, coinvolte nell’analisi dell’azione osservata, indipendentemente dall’identità del soggetto agente.<br>Visual analysis of faces and non-facial body stimuli brings about neural activity in different cortical areas. Moreover, even if inherently linked, body form and body action may be represented in separate neural substrates. Brain lesion studies show specific face processing deficits but neuropsychological evidence for defective recognition of non-facial body parts is lacking. Combining psychophysics and lesionmapping techniques we found that brain lesions specifically affecting the ventromedial and lateral occipital cortex induce visual recognition deficits of face and nonfacial body parts respectively. Moreover, we discovered recognition impairments specifically affecting the form or the action of non-facial body stimuli and causatively associated with lesions to occipito-temporal and premotor areas respectively. These category-specific deficits, called body form and body action agnosia, suggest that visual processing of non-facial body parts is based on a cortical division of labour with occipito-temporal areas actively linked to processing body identity and premotor areas to processing body action independent from the actors’ identity.

L’interazione sociale è una componente fondamentale della vita di ogni individuo. Essa può avvenire tramite azioni condivise in cui due o più individui si coordinano per raggiungere un obiettivo comune (Sebanz et al., 2006). Una delle strategie adottate in questi casi consiste nel ridurre la propria variabilità motoria, per rendere più predicibili i propri comportamenti e, quindi, facilitare la coordinazione (Vesper et al., 2010; Visco-Comandini et al., 2015). In un recente lavoro, tuttavia, è stato dimostrato come, a fronte della naturale variabilità interindividuale del comportamento motorio, questa strategia possa non essere sufficiente (Slowinski et al., 2016). Alla luce di tali evidenze abbiamo condotto un esperimento in cui veniva richiesto a due primati non umani di eseguire un compito individualmente (SOLO) e mediante un’azione congiunta (JA). Esso consisteva nel muovere da una posizione centrale ad uno di otto possibili target periferici, un cursore visivo su uno schermo posto di fronte agli animali, mediante l’applicazione di una forza su un joystick isometrico. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di analizzare le “firme motorie” degli animali sperimentali nella condizione SOLO e studiare la loro influenza sulle strategie comportamentali utilizzata durante la JA. Inoltre, mediante registrazione dell’attività extracellulare di singole neuroni dalla corteccia premotoria dorsale (PMd), ottenuta simultaneamente dai due animali interagenti, abbiamo studiato i meccanismi corticali che sottendono la programmazione e l'esecuzione di una corretta JA. Infatti, sebbene sia noto il ruolo della corteccia PMd nella pianificazione delle azioni individuali basate su associazioni non-standard, o “arbitrarie”, tra stimoli sensoriali e risposte motorie, le proprietà funzionali dei suoi neuroni e le connessioni cortico-corticali, soprattutto con le aree prefrontali e mesiali, suggeriscono un suo potenziale coinvolgimento anche nella codifica della coordinazione interindividuale. I risultati di questo studio hanno permesso di chiarire la natura delle informazioni necessarie alla selezione dei corretti programmi motori durante la JA e quella delle strategie che permettono di far fronte a eventuali differenze comportamentali interindividuali. I risultati hanno mostrato che i neuroni della corteccia premotoria dorsale sono in grado di codificare in maniera distinta l’azione congiunta da quella eseguita individualmente. Nello specifico, inoltre, questo avviene a seguito della presentazione di indizi di natura spaziale, che specificano la direzione verso cui l’azione dovrà essere eseguita. Tale informazione, viene elaborata da cellule con proprietà di tuning direzionale (per una discussione recente della letteratura si veda Mahan &amp; Georgopoulos,2013) precocemente, già nella fase di programmazione dell’azione. L’importanza della direzionalità nell’azione congiunta, inoltre, è stata evidenziata anche attraverso lo studio del comportamento, da cui è emerso che le strategie e la performance della diade sono direzione-dipendente. In conclusione, vi sono elementi sufficienti per ipotizzare che la semplice condivisione dell’intenzionalità del compito potrebbe non essere sufficiente per guidare una corretta JA. Allo stesso modo anche i neuroni mirror, classicamente ritenuti i protagonisti nella codifica della azione altrui, potrebbero non essere sufficienti richiedendo, invece, il reclutamento di popolazioni neuronali in grado di codificare gli attributi spaziali indispensabili per la corretta esecuzione delle azioni eseguite in un contesto diadico.