Academic literature on the topic 'Indirizzo NEUROBIOLOGIA'

Le classificazioni internazionali si sono rivelate particolarmente inoperanti e la ricerca neurobiologica non ha fatto veri progressi sull'eziologia dei disturbi mentali; nella genetica si č attualmente imposto il concetto di interazione geni-ambiente. In compenso, i progressi generali in neuro_ siologia (la plasticitŕ cerebrale, i circuiti della memoria, i neuroni specchio) e gli studi empirici sulle competenze precoci del neonato hanno confermato concetti patogenetici derivati dalla clinica psicodinamica. Si tratta del campo della salute mentale ad indirizzo relazionale, nel cui ambito l'autore propone qui un modello relazionale dello sviluppo normale e patologico, che permetta un approccio preventivo e terapie - basate sulla relazione personale - la cui efficacia č stata dimostrata. I disturbi di personalitŕ dell'adolescente sono considerati come i disturbi piů frequenti e con una ricaduta piů importante per i servizi. Vengono in fine analizzati alcuni fattori sociali attuali e fatte alcune considerazioni principali e urgenti sull'organizzazione dei servizi.

2011/2012
La comunicazione alternativa attraverso le BCIs può risultare uno strumento per agevolare le condizioni di vita di pazienti affetti dai disturbi neurologici. La comunicazione via BCI è ancora molto più lenta rispetto alla comunicazione con il linguaggio naturale. L’obiettivo di questo lavoro di tesi si inserisce in tale ambito, consistendo nello sviluppo di nuove applicazioni in grado di migliorare la velocità di comunicazione con utilizzo delle BCIs. Sono stati sviluppati due sistemi di comunicazione alternativa basati sulla componente P300. Il primo sistema chiamato ‘Multimenu’ permette una selezione veloce di messaggi e di comandi impostati in una struttura gerarchica. Il secondo sistema di tipo predittivo, denominato PolyMorph, grazie ad algoritmi appositamente sviluppati, predice i caratteri e/o le parole successivi a quelli già selezionati in precedenza.
XXV Ciclo
1980

2012/2013
Il Glioblastoma (GBM), nonostante i migliori standard terapeutici, rimane una patologia a prognosi infausta. L’ipotesi delle Glioma Stem-like Cells (GSCs) prevede che, nella massa tumorale, sia presente una popolazione di cellule resistenti alla chemio e radioterapia e che tali cellule siano quindi le possibili responsabili della recidiva di malattia. Le GSCs, che possiedono caratteristiche comuni alle cellule staminali fisiologicamente presenti nel cervello adulto, sono cellule a lenta crescita, capaci di self-renewal, esprimono marker di staminalità, sono multipotenti e sono tumorigeniche quando vengono impiantate in vivo in modelli murini, formando lesioni istologicamente identiche a quelle originarie. Il relativo fallimento delle terapie ad oggi in uso ha portato a studiare nuove strategie dirette verso le GSCs e non soltanto verso le cellule a rapida divisione. Le terapie con virus oncolitici rappresentano, in questi termini, un approccio promettente. L’Herpes Simplex Virus di tipo 1 (HSV-1) è uno dei vettori più studiati e, nelle sue forme mutate, risulta sicuro ed efficace in vitro e in vivo. Questo studio dimostra come G47!, forma multimutata dell’HSV-1, sia in grado di infettare, replicarsi e uccidere le GSCs derivanti da linee primarie di GBM in vitro e in vivo sia in normossia, che in ipossia, condizione che, oltre ad essere comune in questo tumore, arricchisce la popolazione cellulare con caratteristiche stem-like. In questo progetto si descrive inoltre una nuova forma mutata di G47! denominata G47!Us11fluc, in cui il virus esprime luciferasi come gene late del ciclo di replicazione virale, offrendo una stima precisa del virus yield, nonchè un metodo di visualizzazione in tempo reale, con sistemi a bioluminescenza, della replicazione virale in vivo.
XXVI Ciclo
1980

2012/2013
Lo studio delle connessioni anatomiche e funzionali del cervello risulta essere un passo essenziale per comprendere i meccanismi alla base del funzionamento cerebrale. Diverse tecniche di Neuroimmagini sono state sviluppate negli ultimi anni al fine di approfondire la conoscenza della connettività cerebrale umana in vivo. Il presente studio si articola in quattro differenti esperimenti condotti su gruppi di soggetti sani e non, per valutare la validità di differenti tecniche e della loro combinazione nella caratterizzazione della connettività anatomica e funzionale e delle alterazioni che essa subisce nell'ambito di differenti patologie.
XXVI Ciclo
1985

2012/2013
La malattia di Parkinson (PD) e quella di Alzheimer (AD) appartengono entrambe ad una famiglia di patologie neurologiche, caratterizzate da neurodegenerazione, i cui deficit funzionali (motori, sensitivi e psicologici) sono progressivi, e la cui insorgenza si presenta tipicamente dopo la quinta o la sesta decade di vita. Diversi studi ipotizzano che esse possano essere la diversa manifestazione di uno stesso processo disfunzionale, poichè presentano vari aspetti neuropatologici in comune. Ambedue infatti sono caratterizzate da una deplezione massiva dei sistemi neurotrasmettitoriali a proiezione diffusa (quali ad esempio il colinergico, il dopaminergico ed il noradrenergico) e dalla presenza, nei tessuti coinvolti, di aggregati di proteine con alterata conformazione in sede intra- od extracellulare. Inoltre, entrambe sono associate all’insorgenza di disturbi cognitivi ed allo sviluppo di demenza. Il lavoro di questa tesi è stato volto ad indagare alcuni aspetti che caratterizzano queste patologie, per approfondire in che modo la comparsa di determinate disfunzioni anatomiche e neurochimiche influenzi il processo patologico, ed in particolare determini lo sviluppo di deficit cognitivi. Nello specifico abbiamo indagato i contributi rispettivamente del sistema colinergico del prosencefalo di base, di quello dopaminergico mesocorticolimbico e del sistema noradrenergico ascendente, nella regolazione della reference e della working memory, usando il ratto come animale modello. Attraverso l’iniezione neonatale di due immunotossine (192-IgG-saporina e anti-DBH-saporina) e di una neurotossina (6-OHDA) in età adulta, abbiamo osservato le conseguenze funzionali ed anatomiche della deplezione, singola o combinata, dei corrispettivi sistemi neurali, tramite appropriati test comportamentali (quali il Morris Water Maze ed il Radial Arm Water Maze) e procedure istologiche ad hoc. Alla luce dei risultati ottenuti è emerso che il sistema noradrenergico svolge un ruolo importante nel regolare i processi ippocampo-dipendenti, interagendo con gli altri due sistemi e, ove necessario, compensando funzionalmente alla loro mancanza. Inoltre abbiamo indagato gli effetti derivanti dalla deplezione del sistema colinergico del prosencefalo di base con, o senza, l’aggiunta dell’infusione di beta-amiloide 25-35 pre-aggregata in ippocampo, sull’apprendimento e la memoria spaziale di ratti così trattati; e le conseguenze neurochimiche di questi trattamenti sui tessuti prelevati post-mortem, soprattutto per quanto riguarda le alterazioni del metabolismo delle proteine APP, TAU e TDP-43, indagate tramite tecniche istologiche specifiche ed analisi con Western Blot. In questo modo è stato visto che c’è un’interazione sinergica tra l’ipofunzione colinergica e l’infusione di beta-amiloide esogena pre-aggregata nel determinare deficit cognitivi, sia nella reference che nella working memory; e che la deplezione colinergica riesce di per sè sia ad incrementare la fosforilazione della proteina Tau, e quindi di provocarne il distacco dai microtubuli e favorirne l’aggregazione a livello del soma cellulare, che sia a provocare delle alterazioni nel metabolismo della proteina TDP-43, che rispetto ad animali di controllo risulta sovraespressa e localizzata anche a livello del citoplasma. Mentre l’influenza dell’aggregazione della beta-amiloide in questi processi appare marginale o comunque avere una comparsa più tardiva. Il lavoro svolto propone quindi di considerare delle terapie farmacologiche e ristorative che hanno come target il sistema noradrenergico per la cura dei disturbi cognitivi che accomunano la malattia di Alzheimer e quella di Parkinson; e di approfondire maggiormente l’interazione che lega il sistema colinergico alla TDP-43, perchè potrebbe essere importante per capire i meccanismi che conducono alla comparsa di neurodegenerazione e di demenza.
XXVI Ciclo
1984

2011/2012
During the development of spinal cord, the maturation of neuronal circuits is a complex process, involving genetic and epigenetic mechanisms cooperating for the maturation of motor control (Jessell, 2000; Kiehn, 2006). Variations in the concentration of intracellular Ca2+ are crucial signals in this process of maturation; in fact, Ca2+ signals may lead to the emergence of specific neuronal phenotypes or guide the formation of cellular connectivity. The organotypic cultures of embryonic mouse spinal cord represent an ideal experimental approach to study the maturation and physiology of the individual neurons and spinal networks. In fact, this experimental model reproduces in vitro the heterogeneous populations of cells, the three dimensional connections between these cells and the basic cytoarchitecture of the spinal cord observed in in vivo development (Avossa et al., 2003). In this experimental model, three different types of Ca2+ activity have been identified and characterized: waves, bursts and oscillations (Fabbro et al., 2007; Sibilla et al., 2009). These Ca2+ signals are all generated by ventral interneurons, but each of them shows a specific pattern of expression during development and has different underlying mechanisms. In this thesis, I focused my attention on the most peculiar of these Ca2+ signals: the electrical activity-independent Ca2+ oscillations. The main aim of my thesis was to better clarify the mechanisms underlying the generation and role of Ca2+ oscillations in spinal neurons, by investigating the effects of pharmacological manipulation of intracellular Ca2+ buffering on Ca2+ oscillations behavior, neuronal biophysical properties and neuronal network activity in organotypic spinal cultures. To this aim, I treated spinal cord slices with two different intracellular Ca2+ buffers, BAPTA-AM and EGTA-AM, and I monitored their impact using both Ca2+-imaging and single cell patch-clamp techniques. Initially, I investigated the effects on Ca2+ oscillations induced by both chronic and acute treatment with BAPTA-AM. For the first time I described a change in the activity of oscillating neurons. In particular, after chronic incubation with BAPTA-AM, I reported a significant increase in the number of neurons recruited to generate Ca2+ oscillations, which was accompanied by a modulation of oscillations kinetic. Ca2+ oscillations recorded after chronic incubation with BAPTA-AM maintained their peculiar features (Fabbro et al., 2007; Sibilla et al., 2009), in particular their Ca2+-dependence, thus supporting the idea that the BAPTA-induced oscillations represent an amplification of the true oscillations phenomena, amplified by a prolonged intracellular Ca2+ buffering. Despite a potentiating effect of chronic BAPTA-AM treatment on Ca2+ oscillations, its acute application completely blocked Ca2+ oscillations in all neurons. The next step was to verify whether the observed effects could be related to changes in the biophysical properties of neurons or in neuronal network electrical activity. By patch clamp experiments I showed that the chronic BAPTA-AM treatment induces a significant enhancement in the frequency of heterogeneous (GABA-glycine and AMPA mediated) spontaneous post-synaptic currents (PSCs) when compared to untreated cultures. Neuronal membrane capacitance and input resistance were comparable to those of control neurons, thus confirming neuronal health. As the reported results pointed to an increased excitability at the level of single neuron, I analyzed the impact of BAPTA treatment on the functional expression of a family of channels extremely important in the regulation of neuronal excitability: voltage-gated K+ channels. I observed the presence of a significant increase in the amplitude of K+ currents (IK) in slices chronically treated with BAPTA-AM. To analyze the type of IK involved I separated the different IK components (Ca2+-dependent -IK(Ca)- , transient -IK(A)- and delayed-rectifier -IK(DR)-), demonstrating that, in BAPTA-AM treated cultures, the IK(Ca) and IK(A) components were similar to control cultures. Conversely, I found a potentiation of IK(DR), i.e. an increase in its maximal current amplitude. Furthermore, I found that acute application of BAPTA-AM partially reduces the magnitude of total IK. Action potentials are other critical players reflecting neuronal excitability. Chronic BAPTA-AM treatment did not affect action potential kinetic; however, I found that BAPTA-treated neurons show a different distribution profile of excitability, with a widening of the population of ventral spinal interneurons displaying a tonic firing pattern and a decrease in the one showing an adapting firing behavior. To explore the specificity of BAPTA-AM effects I employed another intracellular Ca2+ chelator: EGTA-AM. I reported, as a consequence of a chronic EGTA-AM treatment of spinal neurons, an increase in the population of oscillating neurons (similarly to BAPTA treatment), but, without changes in oscillations kinetic. However, the study of synaptic activity in EGTA-AM treated slices did not reveal any change in the frequency or kinetic of spontaneous or miniature PSCs. Interestingly, in contrast to BAPTA treatment, EGTA-AM had no effect on IK. Overall, the results reported in this thesis show, on one hand, a specific effect of BAPTA-AM on K+; most importantly, on the other hand, they support the needing of a correct intracellular Ca2+ homeostasis for the genesis of Ca2+ oscillations and indicate the presence of a homeostatic adaptation as a rebound effect of chronic manipulation of intracellular Ca2+.
XXV Ciclo
1982

2012/2013
Col termine generale di “plasticità sinaptica” si intendono tutti i meccanismi che stanno alla base della capacità del sistema nervoso di plasmarsi a seguito della sua maturazione e a fronte di stimoli esterni. Variazioni nella forma e nelle dimensioni oltre che l’instaurazione di nuove sinapsi o l’eliminazione di altre (sinaptogenesi) sono i meccanismi che regolano la plasticità sinaptica. Il sistema nervoso centrale è in grado di mettere in atto fenomeni di plasticità sinaptica in grado di modificarne la struttura e la funzionalità sia a corto che a lungo termine. Uno dei più studiati meccanismi cellulari alla base della memoria e dell’apprendimento è il potenziamento a lungo termine (Long Term Potentiation – LTP), una forma di plasticità neuronale che porta a un incremento dell’efficienza della trasmissione sinaptica durevole nel tempo. A livello cellulare, l’LTP aumenta la capacità di due neuroni di comunicare attraverso le sinapsi. Il meccanismo molecolare alla base di tale aumento dell’efficienza della trasmissione sinaptica non è univocamente stabilito, questo in parte è dovuto al fatto che l’LTP è determinato da diversi meccanismi che variano in base alla specie e alla regione del cervello in cui viene indotto. Una volta innescato, l’LTP conduce a varie modificazioni postsinaptiche, tra cui sintesi di nuovi recettori, nascita di nuove sinapsi (in particolare a livello del recettore glutamatergico NMDA) e cambiamenti a livello delle spine dendritiche (Engert and Bonhoeffer, 1999). Ragionevolmente, per indurre potenziamento a lungo termine è necessario che la membrana postsinaptica sia depolarizzata nell’intervallo di tempo in cui il terminale presinaptico libera glutammato: la depolarizzazione rimuove il blocco degli ioni magnesio dai recettori NMDA consentendo il passaggio (oltre al sodio e al potassio) anche agli ioni calcio. Il calcio è l'elemento centrale del processo perché, una volta raggiunta una certa concentrazione nella cellula, è in grado di attivare un processo per cui i recettori AMPA presenti nella cellula vengono trasferiti sulla membrana e i recettori già presenti lasciano passare una maggiore quantità di ioni. La sinapsi risulta così rinforzata. Questa condizione è stata sperimentalmente dimostrata su campioni di fettine di ippocampo usando una stimolazione elettrica (tetanica) (Nishi et al., 2001). Dopo la stimolazione tetanica, il neurone bersaglio rafforzato dall’LTP è molto più responsivo e produce un aumento dell’ampiezza delle correnti eccitatorie post-sinaptiche (Excitatory Post Synaptic Currents – EPSC) che perdura nel tempo. Questo comportamento trova spiegazione in una modificazione delle spine dendritiche sia nella forma, sia nel numero e dimensione. L’attività del mio dottorato di ricerca è stata condotta nell’ambito del progetto NanoMosquito, il cui scopo prinicipale consiste nell’indurre fenomeni di plasticità neuronale in cellule dissociate d’ippocampo di ratto e, successivamente, nel caratterizzare le mutazioni funzionali (tramite la tecnica elettrofisiologica del patch-clamping) e morfologiche, in scala micro e nanometrica, utilizzando tecniche quali la microscopia confocale e la microscopia a forza atomica (Atomic Force Microscopy – AFM). Diverse stimolazioni sono state testate per carcare di capire quali potessero indurre potenziamento della rete. Studi di plasticità vengono condotti in genere su fettine organotipiche, ma queste rendono impossibile studiare i cambiamenti che avvengono a livello delle spine dendritiche con tecniche in scala nanometrica, quali l’AFM. Diversi protocolli di stimolazione (treni a bassa frequenza, theta burst) sono stati utilizzati in esperimenti a doppio patch (due elettrodi usati in simultanea) su due cellule neuronali vicinali. Questo tipo di stimolazione ha portato però solo a un numero limitato di sinapsi potenziate e per questo motive abbiamo deciso di uitlizzare una particolare forma di plasticità sinaptica che prende il nome di Spike-Timing Dependent Plasticity (STDP). In questo tipo di plasticità il preciso ordine temporale tra i potenziali d’azione presinaptici e postsinaptici determina i cambiamenti che avverrano a livello della sinapsi stessa; per ottenere un potenziamento a livello del contatto sinaptico, il potenziale d’azione a livello postsinaptico deve seguire la depolarizzazione a livello presinaptico in una finestra temporale che va dai 5 ai 20 millisecondi (Bi and Poo, 1998). Anche in questo caso, monitorando successivamente l’ampiezza delle EPSCs, solo poche sinpasi andavano incontro a plasticità e il meccanismo che sta alla base di questo deve essere ancora determinato. Al contrario, il Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF), membro della famiglia delle neurotrofine e abbondantemente espresso nel sistema nervoso centrale (SNC), sta emergendo come un importante mediatore nella sopravvivenza, sviluppo e funzione dei neuroni (Lu, 2003). Colture embrionali dissociate di ippocampo sono state per la prima volta trattate cronicamente con BDNF promuovendo la formazione di nuove sinapsi, sia a livello eccitatorio che inibitorio, con conseguente aumento dell’attività spontanea dell’intera rete. Il BDNF inoltre si pensa induca modificazioni morfologiche sia nella complessità dell’albero dendritico che nel promuovere la crescita delle terminazioni assonali (Vicario-Abejon et al., 1998). Registrazioni elettrofisiologiche sono state effettuate per monitare l’attività spontanea della rete: nel dettaglio sono state misurate le EPSC e le IPSC tra neuroni incubati in BDNF e campioni di controllo mentre registrazioni doppie sono state effettuate per confrontare la percentuale di accoppiamento. Abbiamo così visto come il BDNF rafforzi l’attività sinaptica della rete e aumenti il numero di connessioni sinaptiche eccitatorie. Registrazioni paired-pulse ed esperimenti di imaging con FM1-43 hanno invece dimostrato come il BDNF induca anche delle modificazioni nella probabilità di rilascio vescicolare, in quanto, anche in questo caso l’ampiezza della risposta risulta aumentata nelle colture incubate. Marcando i neruoni (β-tubulin III) abbiamo visto anche come il BDNF aumenti la sopravvivenza neuronale, sopratutto a carico delle cellule piramidali, riconosciute dalla loro forma. Inoltre, eseprimenti condottti su cellule transfettate con cds-BDNF hanno confermato ulteriormente i nostril dati su come il BDNF aumenti la trasmissione sinpatica. La caratteristica comune di tutti questi diversi approcci è stata quella di indurre modifiche funzionali nelle connessioni sinaptiche eccitatorie. Successivamente l'induzione della plasticità sinaptica, la microscopia a scansione sarà utilizzata per seguire in tempo reale i cambiamenti morfologici delle sinapsi.
The brain is programmed to drive behaviour by exactly wiring the appropriate neuronal circuits. Wiring and rewiring of neuronal circuits widely depends on the orchestrated changes in the strengths of synaptic contacts. For many years, neuroscientists believed that neurogenesis - the generation of new neurons – and establishment of new neuronal connections was restricted to early brain development (Segal et al, 2005). New findings have challenged this view and currently many neuroscientists believe that the capacity for circuitry rearrangement is maintained throughout life. However the mechanisms that controls plasticity in the adult brain are still not entirely clear. The connection between neurons is named synapse. The synapse is the most fundamental unit of information transmission in the nervous system. Information storage, including all forms of memory and behavioural adaptation, are believed to come out from changes in neuronal transmission, both in the short-term and the long-term, a property known as synaptic plasticity. Synaptic plasticity is a highly regulated process, refers to all the mechanisms that underlie the ability of the nervous system to adapt to external stimuli. Variations in the shape and size as well as establishment of new synapses or the elimination of others (synaptogenesis) are the mechanisms that regulate synaptic plasticity. Thus, understanding the mechanisms underlying synaptic plasticity may help to apprehend general learning and memory processes. Changes in synaptic plasticity are achieved by changes in inhibitory or excitatory neurotransmission or both. This thesis deals with the modulation of excitatory neurotransmission. The principal excitatory neurotransmitter in the brain is glutamate. The regulation of glutamate-mediated excitatory neurotransmission has been shown to play a critical role in many aspects of synaptic plasticity. One of the most studied cellular mechanisms is the long-term potentiation (LTP), a form of synaptic plasticity that leads to an increase in the efficiency of synaptic transmission (Engert et al., 1999). The induction of LTP is classically achieved by tetanic stimulation but it is also possible to induce chemically a long-term potentiation of the synaptic efficacy, thus enhancing a larger number of synapses compared to electrical stimulation. The work of this thesis has been conducted in the wider framework of the NanoMosquito project, whose major aim was to combine electrophysiological measurements, scanning probe microscopy (AFM-Atomic Force Microscopy) and fluorescence microscopy in order to develop new generation neurophysiological tool to understand neuronal plasticity at the nanoscale. Studies of synaptic plasticity are often carried out in slices of hippocampus, but these prevent to study change in nanoscale with a surface-microscopy technique such is AFM: dissociated hippocampal neurons lend themselves well for this purpose. Understanding in detail the mechanism of action of these processes may be of critical importance not only for a detailed view of memory related processes but also in the case of some diseases: being able to control synaptic plasticity may help to restore a functional connectivity lost, for example, in the case of brain lesions. The first part of this thesis handles the setting of an electrophysiological stimulation to induce neuronal plasticity, starting from the stimulations trains usually performed in hippocampal slices, such as slow frequency stimulation and theta burst. Long-term synaptic modifications can be induced also by a particular form of synaptic plasticity named Spike-Timing Dependent Plasticity (STDP) where the precise timing and the order of presynaptic and postsynaptic action potentials determine the magnitude and the direction of the changes in synaptic strength (Bi and Poo, 1998). I have tested trains of with a delay of 5, 10 and 20 milliseconds between pre- and postsynaptic neuron. By monitoring the amplitude and frequency of the EPSCs, responses varied from no changes to potentiation but just in a small sample of coupled neurons where we measured a strong increase in the amplitude and frequency of spontaneous EPSCs after the stimulation. The cellular basis that gives rise to the induction of such synaptic modifications remains to be determined. On the other hand, BDNF ability to mediate activity-dependent modifications in synaptic strength (Bolton et al., 2000; Vicario-Abejón et al., 1998) has recently received considerable attention; in particular the acute BDNF effects on excitatory synapses have been the object of an increasing amount of studies. On the contrary, the role of BDNF in regulating long-lasting changes in synaptic function is comparably less investigated and may have large impact on post injury alteration of synaptic networks and neuronal rescue. To address this issue, during my PhD, I studied the long-term (chronic) effects of BDNF on AMPA receptor mediated excitatory synaptic transmission and on neuronal survival in vitro. Dissociated rat (P2-P3) hippocampal cultures were chronically treated (4 days) with BDNF between 4 and 8 days in vitro (DIV). Single and dual patch-clamp recordings in whole-cell configuration were used to monitor spontaneous and evoked post synaptic currents (IPSCs and EPSCs) in hippocampal network grown in culture for 8-10 DIV. Excitatory PSCs (EPSC) were identified by their kinetic (fast decay τ) and pharmacology (CNQX sensitivity). EPSCs recorded from BDNF-treated cultures show a strong increase in their mean frequency and amplitude when compared to controls untreated sister cultures. In the presence of TTX, miniature excitatory PSCs (mEPSCs) in BDNF treated networks still displayed an increase in both frequency and amplitude. In BDNF-treated cultures pair recordings showed an increased probability of finding coupled pairs. Paired pulse (20 Hz) experiments and FM1-43 fluorescence imaging suggested that BDNF treatment increased the probability of release. Immunofluorescence (β-tubulin III) visualization of neurons allowed to quantify neuronal density and showed that BDNF mediated an increase (40%) in neuronal survival, when compared to controls, together with an increase in the pyramidal neuron/interneuron ratio (0.33 for BDNF, 0.19 for controls). Additionally, neuronal cells were transfected with different BDNF-GFP expressing vectors to gain insights in the specific molecular mechanisms involved in long term BDNF effects on synapses. However the common feature of all these functional modifications is in the direction of a pronounced potentiation of excitatory synaptic connections. Subsequently to the induction of synaptic plasticity, scanning probe microscopy would be used to follow in real time morphological changes of synapses undergoing potentiation or neuronal processes development with submicrometrical resolution in all 3 dimensions. Final goal of the entire project, whereof this thesis is the fundamental initial step, will be the development of new paradigms to evaluate and induce synaptic plasticity on specific synapses to govern in a controlled way neuronal outgrowth and synaptogenesis.
XXVI Ciclo
1985

2013/2014
It is well established that in healthy brain, the interplay between neurons and glia play a very important role in the maintenance of a correct physiological activity. Recent studies have shown the existence of an active involvement of glia in both the formation and function of the synapse (Araque et al. 1999; Parpura et al. 2012). These findings have led to reconsider the role of glia also in the case of pathological situations. Indeed, beyond its fundamental implication in healthy brain, glia has been found to play a critical role in several neurological disorders. It is now clear (Nguyen at al. 2012, Maezawa and Jin, 2010) that glial cells are involved not only in neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease (Angelova PR at al. 2014), but also in diseases characterized by intellectual disability. In this regard, recent evidence has shown the involvement of glial cells in Rett Syndrome (Ballas et al., 2009, Maezawa et al., 2009, Derecki et al., 2012 Okabe 2012). The purpose of my thesis is to investigate the role of different populations of astrocytes in the development and survival of neurons using in vitro models of both neurodegenerative and neurodevelopmental disorders. To this aim, in the first part of my project I participated in the setting up of a microfluidic system, an experimental model aim at studying the interconnections between different brain cells, focusing my attention on the contribution of glial cells derived from different brain areas in these pathological states. Secondly, through the use of the microfluidic system, we have shown that astrocytes derived from distinct brain areas have different effects on neurons if exposed to several harmful stimuli. Specifically I have evaluated both the development and viability of hippocampal neurons co-cultured with either cortical or hippocampal astrocytes in a neuroinflammatory context represented by the stimulation of beta amyloid peptide (Aß) together with several proinflammatory cytokines. Taking advantage of the microfluidic system, we showed that hippocampal and cortical astrocytes exposed to these stimuli were able to significantly increase neuronal cell death. Interestingly, hippocampal astrocytes induced an elevated neuronal cell death if compared to cortical astrocytes. (Bianco F, N Tonna, Lovchik RD, Mastrangelo R, Morini R, Ruiz A, E Delamarche, Matteoli M. Anal. Chem. 2012). To assess whether neuronal death was due to soluble factors released by astrocytes, we monitored the neuronal calcium responsiveness upon the exposure of astrocytes to Aß and IL 1ß. We found that both cortical and hippocampal astrocytes elicited a specific calcium transient in neurons upon stimulation, however, the calcium transients were higher in neurons exposed to stimulated hippocampal rather than cortical astrocytes. Such calcium transient were blocked by the specific NMDA receptor antagonist APV, thus highlighting that the calciumtransients were mediated by the activation of these receptors following the release of astrocytic glutamate. More importantly, hippocampal astrocytes exposed to neuroinflammatory environment induced higher cell death and neuronal calcium transient compared to cortical astrocytes (Bianco F, N Tonna, Lovchik RD, Mastrangelo R, Morini R, Ruiz A, E Delamarche, Matteoli M. Anal. Chem. 2012) We also used the microfluidic system to perform a pharmacological study in an experimental model of Alzheimer's disease. In particular, we evaluated the effectiveness of the drug FTY720 (Fingolimod, normally used for the treatment of multiple sclerosis) to prevent cell death in neurons cultured alone or co-cultured with microglia upon the stimulation with either fibrillar or oligomeric Aß form. The results showed that the drug prevented cell death in neurons exposed to Aß oligomers, both in the presence and absence of microglia. (Ruiz A, Joshi P, R Mastrangelo, Francolini M, Verderio C, Matteoli M Lab Chip. 2014). In the second part of my PhD thesis, I have focused my attention on the role of different populations of astrocytes in supporting neuronal development in a model of Rett Syndrome. Observations made by Prof. Tongiorgi's lab, showed a different neuronal atrophy at the level of cortex and hippocampus in mouse model of Rett Syndrome, thus prompting us to investigate the effects of glial cells derived from these two different brain areas on neurons. Neurons were grown in conditioned medium obtained from hippocampal or cortical astrocytes established from WT or KO mouse, and the growth in terms of neurites length was evaluated. The morphological analysis showed that neurons grown in conditioned medium derived from hippocampal astrocytes displayed longer neuritic processes than those grown in cortical astrocytes-derived medium. In contrast, the growth of hippocampal neurons in conditioned medium from wt cortical astrocytes, hippocampal and cortical astrocytes Rett not significantly different compared to neurons cultured alone. This suggests that hippocampal astrocytes have a higher trophic effect on neuronal development than cortical astrocytes. In light of these results, we can assume that the atrophy observed in cortical region of Rett Syndrome mouse model may be due to a lower trophic capability of cortical astrocytes compared to hippocampal in supporting neuronal development. Taken together these data suggest that astrocytic populations belonging to distinct brain areas have different capability in supporting neuronal growth, thus opening the possibility that region-specific atrophy observed in RETT mouse model may stem from a different release of trophic factors from glial cells.
XXVII Ciclo
1984

2010/2011
Esistono più di 50 diverse patologie neurologiche che hanno una confermata o sospetta eziologia autoimmune e che si stima colpiscano 75 milioni di persone nel mondo. Sebbene negli ultimi anni sia cresciuto l’interesse per i meccanismi immunopatologici anticorpo-mediati, le evidenze di un ruolo primario degli autoanticorpi nella patogenesi delle malattie autoimmuni del SNC sono ancora poche. La maggior parte di queste patologie è rara e per molte di esse non esiste un metodo di diagnosi in quanto l’antigene (o gli antigeni) bersaglio della risposta autoimmune sono sconosciuti. A tale scopo risulta fondamentale il supporto di un test diagnostico che aiuti ad identificare la presenza di tali anticorpi nel siero dei pazienti. Lo scopo del mio progetto di Dottorato è stato la messa a punto di un metodo di identificazione di anticorpi anti-neurali caratteristici di diverse patologie che utilizza l’immunoistochimica su sezioni di cervello di ratto. Questo metodo è stato quindi testato per la rilevazione di autoanticorpi antineurali in particolare in 4 gruppi di patologie neurologiche: le sindromi Paraneoplastiche, la Neuromielite Ottica, le Neuropatie periferiche e Sclerosi Laterale Amiotofica (SLA). La ricerca di questa tesi di dottorato si è sviluppata seguendo tre obbiettivi specifici: 1. Creare un metodo di controllo qualità per il saggio di analisi immunoistochimica TABA e valutare la sua validità diagnostica. 2. Sviluppare un test che permetta l’analisi della reattività dei sieri di pazienti che presentano neuropatie non ancora classificate perché ad antigene ignoto. 3. Testare con la metodica TABA di immunoistochimica semi-quantitativa su sezioni di cervello di ratto sieri di pazienti affetti da SLA al fine di individuare un disegno di marcatura specifico. Il metodo utilizzato riguarda lo screening di anticorpi anti sistema nervoso basato su un’analisi immunoistochimica (IHC) semi quantitativa (metodo TABA) su sezioni di cervello di ratto al fine di descrivere e quantificare la reattività contro particolari regioni del cervello (Boscolo et al. 2007) e di discriminare le specifiche marcature associate alle differenti neuropatologie. L’innovazione di questa ricerca è stato quello di creare un metodo di controllo qualità per il saggio di analisi immunoistochimica mediante l’ideazione di un protocollo standard che si avvale dell’utilizzo di un controllo positivo (siero a reattività nota), la cui stabilità viene monitorata nel tempo tramite l’utilizzo di un algoritmo statistico. E’ stato scelto all’interno della sieroteca presente in laboratorio, un siero fortemente positivo all’analisi TABA e sono state marcate 80 sezioni di cervello con questo anticorpo. E’ stata quindi eseguita la densitometrie su 3 aree cerebrali: il midollo allungato, il V° strato della corteccia e le cellule del Purkinjie. Quindi è stato possibile definire un intervallo di confidenza densitometrico per standardizzare l’uso dell’ IHC, da utlizzare come protocollo di controllo qualità. L’identificazione di un metodo di controllo qualità per l’analisi immunoistochimica rappresenta un grande passo avanti nella diagnostica di laboratorio in quanto permette la standardizazzione di un metodo da molti sottovalutato ma indispensabile nell’identificare la reattività di un siero verso antigeni ignoti, nel caso in cui i kit attualmente in uso non ne identifichino l’antigene. Infine, grazie al confronto tra la diagnosi basata sul metodo TABA e i kit diagnostici è stato possibile valutare i parametri qualitativi del metodo TABA in termini di predittività e specificità. La seconda parte di questo lavoro è focalizzata allo sviluppo di un test che permetta l’analisi della reattività dei sieri di pazienti che presentano neuropatie non ancora classificate perché ad antigene ignoto. Attualmente in commercio esistono kit diagnostici per l’individuazione degli antigeni target delle neuropatie periferiche, tuttavia il numero di neuropatie autoimmuni non identificate è ancora alto. Pertanto abbiamo deciso di sfruttare la tecnica dell’IHC su nervo sciatico di ratto per individuare la presenza di un’autoimmunità nel caso in cui i kit commerciali risultino negativi. Questo studio prevede l’analisi di 25 sieri di pazienti affetti da neuropatie e il successivo confronto tra i vari protocolli al fine di individuare un metodo per l’analisi immunoistochimica su nervo sciatico di ratto utilizzando anticorpi secondari specifici anti IgG ed IgM umane. E’ stato effettuato quindi uno studio in relazione ai diversi disegni di marcatura delle sezioni, al fine di trovare una correlazione tra la patologia e il pattern di marcatura (sugli assoni, sull’endonevrio ed un pattern misto). I risultati ottenuti con questo nuovo approccio “home made” sono stati in seguito paragonati con quelli riscontrati utilizzando un kit diagnostco commerciale Euroimmun Italia. Tuttavia, la metodica di IHC non è risultata in nessun caso idonea per la rilevazione di autoanticorpi IgG o IgM nelle neuropatie periferiche. Paralellamente è stato svolto uno studio riguardante un gruppo di pazienti afferri da sclerosi laterale amiotrofica (SLA), per cui vi sono evidenze di una possibile componente autoimmune (Pagani et al. 2006). Sono stati analizzati 14 sieri di pazienti con confermata diagnosi di SLA e 9 sono risultati positivi all’esame immunoistochmico TABA per le IgG di cui 2 erano positivi kit per autoanticorpi paraneoplastici. Pertanto in 7 pazienti, si è riscontrata una reazione anti-neurale non spiegata da anticorpi noti. E’ stato possibile inoltre identificare un pattern di marcatura comune nei sieri affetti da SLA che corrisponde ad una marcatura del nucleolo (Parker et al. 2009). Quattro di questi sieri sono risultati positivi per l’antigene Ro52 con il metodo line blot. Questi risultati supportano l’ipotesi autoimmune nella SLA e confermano l’uso della IHC con il metodo TABA come con importante strumento di diagnosi e di ricerca di nuovi autoanticorpi.
XXIV Ciclo
1983

2010/2011
Glioblastoma (GBM) is the most common and malignant primary brain tumour. GBM prognosis remains dismal despite available treatments, be- cause of tumour recurrence. According to the "Glioma Stem-like Cell" (GSC) hypothesis, GBM recurrence is sustained by a fraction of cells that share similarities with normal Neural Stem Cells / Neural Precursors (NSCs). In potential agreement with this possibility, primary cell cultures with characteristics of GSCs can be established from GBM. These cells display typical hallmarks of NSCs, namely unlimited self-renewal and ability to differentiate into different neural lineages in vitro. Most importantly, GSCs are highly tumorigenic when transplanted intracranially in vivo and their in vitro self-renewal potential correlates positively with tumorigenicity and negatively with prognosis in Glioma patients. We hypothesize that the tumour-forming potential of GSCs may result from the deregulation of molecular mechanisms normally involved in NSC self-renewal, proliferation and/or differentiation. In this regard, the fork-head transcription factor, FOXG1, promotes the self-renewal of both embryonic and adult NSCs. Here we show that FOXG1 mRNA and protein are up-regulated in human Gliomas and that elevated FOXG1 expression is a bad prognostic factor in GBM patients. We show further that FOXG1 is expressed in a sub-population of GBM cells with NSC-like characteristics, as well as in cultured GSCs. More importantly, knockdown of FOXG1 significantly decreases GSC self-renewal, with a concomitant increase of the cell-cycle inhibitor, p21Cip1. We also show that FOXG1 is co-expressed in GBM and GSCs with the transcriptional co-repressor TLE, a protein known to work together with FOXG1 during forebrain development. The effect of FOXG1 knockdown on GSC self-renewal is phenocopied by TLE knockdown, as well as by the forced over-expression of the previously characterized TLE:FOXG1 antagonist, GRG6, a protein with little or no expression in GBM. More importantly, mouse orthotopic implantations of human GSCs, which were either silenced for FOXG1 or over-expressing GRG6, gave rise to smaller tumours when compared to control condition; this tumor size reduction resulted in prolonged mice survival. Together, these results suggest that FOXG1 and TLE are important regulators of GBM tumorigenesis.
XXIV Ciclo
1977

2011/2012
Regenerative medicine is a broad interdisciplinary field, tremendously grown in the last decades, which encompasses several different research areas, such as biomaterial sciences and tissue engineering, whose unifying concept holds an enormous therapeutic potential, being that of restoring impaired organs or tissue functions, resulting from congenital defects, trauma or disease (Greenwood et al.; 2006; Mason and Dunnill, 2008). The main challenge faced by tissue engineering is the need to have a renewable source of cells and biomaterials possessing the right mechanical, chemical and biological features, to create constructs resembling native tissues. The design of scaffolds able to support and promote tissue regeneration and/or functional restore, in particular, is a critical step for the success of an implant, as it should recapitulate the complex architecture of the physiological microenvironment, e.g. the appropriate extracellular matrix, which has been shown to actively direct the behaviour of cells, through both chemical and physical cues (Daley et al., 2008; Place et al., 2009; Rozario and DeSimone, 2010). In this context, nanotechnology tools may greatly enhance the success of tissue engineering strategies, by providing the chance of producing surfaces and materials with topographical features that mimic the natural ones, in addition to the possibility to functionalize nanomaterials with bioactive molecules (Gelain et al., 2008; Zhang and Webster , 2009; Dvir et al., 2011; Koh et al., 2008). Among nanomaterials, carbon nanotubes (CNTs) stood out, since their discovery, for their outstanding mechanical, electrical and thermal properties, like their extraordinary strength coupled with remarkable flexibility, or their high electrical conductivity, which make them a well-suited platform technology for biomedical applications. Recently, several works have been published, which support the use of CNT-based scaffolds to promote neuronal attachment, differentiation and growth (Mattson et al., 2000; Hu et al., 2004; Hu et al., 2005; Galvan-Garcia et al., 2007). Moreover, in the last decade, our group showed that CNT/neuronal hybrid networks show a boost in synaptic transmission (Lovat et al., 2005; Mazzatenta et al., 2007) and that the direct contact established between single CNT and neuronal membranes affect single neuron integrative abilities (Cellot et al., 2009), besides promoting network connectivity and synaptic plasticity phenomena in cortical cultured circuits (Cellot et al., 2011). Here, to extend our knowledge about interactions between CNT and neurons, we long-term cultured organotypic spinal explants, possessing a complex multilayered cytoarchitecture, with highly purified MWCNT scaffolds and then investigated, via a multidisciplinary approach, their growth and synaptic activity. Our aim was to verify whether and how a CNT-induced effect on neuronal performance could be transferred to network locations, which are far from the neuronal/MWCNT layer of interaction, but sinaptically communicating with it. We documented, via TEM investigations, the presence of tight connections established between the neuronal membranes of neurons belonging to the bottom layer of the spinal tissue and the CNT meshwork underlying it. By means of confocal microscopy, SEM and AFM techniques, we showed, for the first time, that the long-term interfacing of spinal cord explants to CNTs induced an increase in the number and length of peripheral neuronal fibres outgrowing the spinal tissue, associated to changes in growth cone activity and in fibre elastomechanical features. We also demonstrated, via patch-clamp recordings performed from interneurons in the ventral (premotor) area of the explants, that both spontaneous and evoked synaptic currents displayed a potentiation in the presence of the CNT scaffold, detected as an increase in current amplitude in neurons which were as far as 5 cell layers from the tissue/substrate site of interaction. We speculate that these two effects (the increased fibres growth and the boosting in synaptic activity) rely upon two different mechanisms, a direct and a remote one, by which CNTs affect the spinal tissue development. Indeed, the first exerted on fibres directly adhering to the CNT substrate, while the second is likely to be mediated by alterations occurring at the tissue layer integrated with CNTs, which are transmitted, through a remote effect, to distant network locations, synaptically communicating with such a layer. These results support the hypothesis that CNTs may be employed to boost spinal neurite re-growth and functional spinal performance, in the perspective of re-establishing the physical and functional communication between disconnected spinal segments, We therefore decided to implement a model in which two organotypic spinal explants grow together on the same support, as a useful model for neuronal reconnection investigations and to test the possibility that a CNT-based scaffold, interposed between the two explants, may act as a bridge to promote the physical and electrical communication between the two spinal segments. By means of immunostaining experiments and confocal microscopy we reported the presence of a huge amount of fibres, projecting from the two spinal slices and integrating in a complex network, especially localized in the DRG regions, while very few fibres seemed to directly connect the two explanted tissues at the level of the explants cores. When, via voltage-clamp pair recordings, we looked for the presence of an electrical reconnection between explants, we found a small percentage of co-cultured explants displaying a complex coupled behaviour, detected as a strongly correlated bursting activity. These preliminary data seem to confirm the goodness of such an in vitro model to investigate the intrinsic reparative potential of spinal cord tissue and to improve such ability via nanotechnological tools.
XXV Ciclo
1982