Tesis sobre el tema "Connettivi"

Con il termine connettiviti si indica un gruppo eterogeneo di malattie reumatiche ad eziologia multifattoriale e patogenesi autoimmune,caratterizzate dall'infiammazione cronica del tessuto connettivo. Considerando la diffusione ubiquitaria di esso, tali malattie sono definite sistemiche e possono interessare qualunque distretto del corpo umano. Le connettiviti che con maggiore frequenza si associano a manifestazioni polmonari sono la Sclerosi sistemica progressiva , l Artrite Reumatoide e il Lupus Eritematoso sistemico. E estremamente importante dinanzi ad una qualunque diagnosi di connettivite, valutare la possibilità di un eventuale coinvolgimento polmonare, attraverso esami radiologici mirati e prove di funzionalità respiratoria. Un approccio di questo genere ovviamente richiede la sensibilizzazione di più competenze mediche e una stretta collaborazione plurispecialistica. Al fine di verificare se quanto riportato dalla letteratura internazionale trova riscontro nella nostra realtà locale e con quali connotazioni specifiche l associazione tra IP e connettiviti si presenta, ho analizzato alcune cartelle cliniche della S.S.D Reumatologia dell'Ospedale S. Croce e Carle di Cuneo presso cui lavoro come Dirigente Medico della Struttura Semplice Dipartimentale di Reumatologia. Lo studio è stato finalizzato ad individuare e descrivere i casi di pazienti affetti da connettivite con coinvolgimento polmonare mettendo in evidenza in modo particolare le caratteristiche funzionali di questi pazienti, il tipo di pattern radiologico attraverso cui la loro patologia si presentava, ed infine la presenza o meno di ipertensione polmonare.

L’obiettivo che si pone l’elaborato in questione è quello di indagare, all’interno della letteratura accademica e delle pubblicazioni di settore, i contributi offerti riguardanti l’interpretazione della Connettività delle Informazioni, uno dei principi sui quali si basa il Report Integrato. L’elaborato è stato sviluppato cercando di offrire al lettore un quadro completo della materia in oggetto; proprio per questo motivo è stato trattato sia il tema del Reporting Integrato nel suo complesso, sia a livello specifico il Principio della Connettività delle Informazioni, che ne rappresenta il fulcro. Il primo capitolo introduce il tema del Reporting Integrato attraverso un resoconto storico che ne riassume i passaggi fondamentali, per poi definirne concetto ed obiettivi; ampio spazio viene infine dedicato ad esplicare le ragioni a supporto di tale metodologia di rendicontazione, nonché le critiche attribuitegli e gli sviluppo futuri. Il secondo capitolo tratta il tema del Framework e vengono quindi descritti i concetti fondamentali e trattati nello specifico i Capitali, i Principi Guida ed infine il Contenuto del Principio. Il terzo capitolo offre un’ampia trattazione del Principio Guida della Connettività delle Informazioni, uno dei sette fissati dall’IIRC che contribuisce al contenuto del report ed alla modalità di presentazione delle informazioni. Una prima parte è dedicata alle forme della Connettività indicate all’interno del Framework , mentre la seconda tratta in maniera approfondita il contributo offerto da Sergio Paternostro, Professore presso l’Università di Palermo, il quale identifica tre forme di Connettività: weak aggregation, strong aggregation e Integration in a narrow sense. La terza parte del capitolo definisce il concetto di Pensiero Integrato e ne esplica il legame con la Connettività, oltre che affrontarne le problematiche di implementazione; infine, l’ultimo paragrafo analizza il Principio sotto la luce delle nuove tecnologie digitali ed il contributo che possono offrire per una corretta implementazione dello stesso. Il quarto ed ultimo capitolo rappresenta il cuore dell’elaborato, che tenta di racchiudere in una matrice i vari contributi offerti per interpretare la Connettività attraverso la definizione di quattro macro aree: Documenti, Parti del Report, Informativa e Funzioni.

La stabilità del connettivo pelvico è frutto dell'equilibrio tra la produzione e la degradazione della matrice extracellulare. A tale equilibrio partecipano numerose molecole. Nelle donne con colpocele anteriore la Fibulina-5(FBLN-5) è down regolata, mentre l'Integrina beta 3 (ITGB3) e l'ECM1 sono up- regolati, indicando che una ridotta capacità di rimodellamento del connettivo può rappresentare un fattore predispoinente al prolasso
The stability of the pelvic connective is the result of a balance between production and degradation of extracellular matrix. To balance this many molecules involved. In women with colpocele the Fibulina-5 (FBLN-5) is down regulated, while the Beta 3 integrin (ITGB-3) and the EMC1 are up regulated, indicating that a reduced capacity for remodeling of the connective is a factor predisposing to prolapse.

L’uso di target di sostenibilità all’interno dei pacchetti di compensazione sta diventando una pratica sempre più diffusa sia a livello nazionale che internazionale e proprio per tale motivo l’Accademia ha iniziato ad analizzare in modo più approfondito tale relazione. In linea con l’attuale ricerca il presente elaborato si pone come obiettivo quello di analizzare il tema della connettività tra sostenibilità, management control e remunerazione. La prima parte fornisce un quadro teorico di riferimento rispetto il tema della sostenibilità e del management control, mentre la seconda indaga la relazione tra la compensazione degli executive e la sostenibilità. Nello specifico è stata condotta una literature review che ha permesso di introdurre una classificazione basata su quattro diversi filoni di ricerca e che ha portato all’identificazione di alcuni dei fattori determinati nell’uso di target di sostenibilità nella compensazione.

I disturbi neurologici provocano anomalie nella dinamica dell’attività cerebrale. L’Epilessia è uno dei disturbi cerebrali più comuni, colpisce infatti circa l’1% della popolazione mondiale. I soggetti epilettici subiscono spesso un peggioramento della qualità della vita, a causa delle crisi che si ripetono nel tempo e che possono portare a conseguenze anche gravi. Per questo la pratica clinica mira ad ottenere, tramite trattamenti chirurgici o farmacologici, il controllo completo delle crisi. Tuttavia i trattamenti disponibili sono efficaci solo nei 4/5 dei soggetti malati. Riuscire a comprendere a fondo i meccanismi e le anomalie cerebrali che stanno all’origine dell’Epilessia e delle crisi consentirebbe di ottenere sviluppi sia a livello di ricerca che clinico. L’obiettivo di questo elaborato è quello di descrivere alcune principali anomalie relative a ritmi cerebrali e connettività funzionale osservate in soggetti epilettici. Nella maggioranza dei soggetti aventi questo disturbo neurologico, si riscontrano infatti variazioni dei ritmi cerebrali in alcune bande dello spettro di frequenza. Tali variazioni sono accompagnate da alterazioni della connettività funzionale (anche evidenziate da misure derivate dalla teoria dei grafi) sia nelle zone direttamente coinvolte nell’origine dell’attività epilettica, che a livello dell’intero encefalo, indicative di anomalie dei network funzionali che si creano tra le regioni cerebrali, network che sono alla base delle normali funzioni neurofisiologiche, cognitive e motorie. Verranno indagati i risultati ottenuti da alcuni studi estratti dalla letteratura scientifica, inoltre verrà descritto come essi possano avere in futuro un impatto a livello clinico, sia nella diagnosi (come marker di epilessia) sia nel trattamento (nella localizzazione della zona epilettogena e nella capacità di predire la liberazione dalle crisi a seguito di intervento chirurgico).

Il rischio sistemico ed il suo meccanismo di propagazione hanno assunto un ruolo importante nell'economia, come si è potuto osservare a seguito della recente crisi finanziaria del 2007-2009 che ha colpito la maggior parte dei mercati finanziari internazionali. Il grado di connessione tra le istituzioni finanziarie è uno dei fattori scatenanti di una crisi; gli shock che si manifestano nel mercato tendono a propagarsi con effetto domino sui soggetti del sistema strettamente connessi tra loro. Il test di causalità di Granger è considerato una misura utile per la previsione e l'eventuale prevenzione di situazioni di crisi. Obiettivo dell'elaborato è dimostrare l'esistenza di metodi alternativi al test di causalità di Granger per la verifica delle connessioni tra istituzioni. Dopo aver considerato diversi test di cointegrazione (test di Phillips Ouliaris, di Johansen e l'Error Correction Mechanism (ECM), si è attribuita particolare importanza al test di causalità non parametrico di Diks e Panchenko, al fine di studiare la presenza di causalità anche in termini non lineari. Infine si sono individuati e stimati i network di connessioni tra le istituzioni del mercato finanziario Europeo. A tale scopo, grazie all'ausilio del software statistico R, si sono prese in esame delle serie storiche relative a banche ed assicurazioni (Gennaio 2004 a Dicembre 2012) e, dopo aver effettuato i test, sono state rappresentate le suddette connessioni attraverso i grafi.

I mondi di Smart City e Internet-of-Things si stanno ampliando notevolmente grazie all'evoluzione continua delle tecnologie. Tuttavia risultano escluse dall'ambito di interesse le zone rurali e decentralizzate perché spesso prive di un'infrastruttura di rete ben definita. A fronte di questo problema, i dispositivi che si trovano in queste zone potrebbero auto-organizzarsi per comunicare instaurando collegmenti di tipo peer-to-peer e utilizzando protocolli di disseminazione di informazioni basati su gossip. In questa tesi sono trattate le seguenti questioni e mediante alcune simulazioni al calcolatore sono riprodotti alcuni scenari per valutare le prestazioni degli algoritmi di Gossip with Fixed Probability e Conditional Broadcast e la diffusione delle informazioni tra i nodi all'interno di una rete creata in maniera opportunistica.

Neurodegenerative diseases are associated with the accumulation of toxic proteins in the human brain. A growing body of evidence suggests that such proteins can propagate in the brain in a prion-like fashion through the connections between neurons. The most recent evidence suggest that the clinical picture of each neurodegenerative disease might largely depend on the damage of the anatomical pathways connecting the different regions of the brain. Magnetic resonance imaging (MRI) advanced techniques, particularly diffusion tensor (DT) imaging and resting state functional MRI (RS-fMRI), allow exploring the role of network alterations in these disorders. In this dissertation, I explored network connectivity alterations in the wide spectrum of clinical presentations due to frontotemporal lobar degeneration (FTLD), including not only a range of purely cognitive disorders (i.e., frontotemporal dementia [FTD] variants), but also motor neuron disease (MND), such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The overlap between ALS and FTD has been suggested not only by the presence of mixed clinical presentations, but also by common pathological and genetic determinants. In the studies here reported, volumetric techniques, DT MRI, RS-fMRI and novel connectomic approaches were employed to explore converging and diverging brain network signatures across the ALS/FTD continuum. The analysis of grey matter volumes and white matter DT MRI alterations in patients with MND revealed useful structural MRI markers of motor and cognitive progression, as well as prognostic indicators of a subsequent benign or aggressive disease course, which might be used to predict time to the development of clinical milestones. Moreover, a combined analysis of structural and functional connectomics showed extensive network reorganization both in motor and extra-motor brain regions of MND patients. When examining in detail cognitive FTD phenotypes, for each variant, we showed characteristic volumetric MRI signatures and patterns of functional network reorganization propagating from the corresponding disease epicenter. Finally, we provided further evidence supporting the notion of a continuum across FTD and MND, both in sporadic and in genetic presentations of FTLD. Taken together, our studies suggest that the assessment of network connectivity in the ALS/FTD spectrum is useful in improving our understanding of the mechanisms that link protein deposition and consequent neuronal damage to motor and cognitive symptoms in these patients. A more profound knowledge of such mechanisms will allow a better stratification of patients and an improved prognostic definition that will be vital in future clinical trials with disease modifying drugs.
Le malattie neurodegenerative si associano all'accumulo di proteine tossiche nel cervello umano. Un numero sempre maggiore di evidenze suggerisce che tali proteine possano propagarsi nel cervello in maniera simil-prionica tramite connessioni interneuronali. Le evidenze più recenti suggeriscono che il quadro clinico di ciascuna malattia neurodegenerativa dipenda in larga misura dal danno delle vie anatomiche che collegano le diverse regioni cerebrali. Le tecniche avanzate di risonanza magnetica (RM), in particolare l'imaging con tensore di diffusione (DTI) e la RM funzionale in stato di riposo (RS-fMRI), permettono di esplorare il ruolo delle alterazioni dei network in queste malattie. In questa tesi, ho esplorato le alterazioni di connettività dei network nell'ampio spettro di presentazioni cliniche dovute alla degenerazione lobare frontotemporale (FTLD), che include non solo un insieme di condizioni puramente cognitive (varianti della demenza frontotemporale [FTD]), ma anche le malattie del motoneurone (MND), quale la sclerosi laterale amiotrofica (SLA). La sovrapposizione tra SLA e FTD è stata suggerita non solo dalla presenza di presentazioni cliniche miste, ma anche da fattori determinanti comuni a livello patologico e genetico. Negli studi qui riportati, sono state utilizzate tecniche volumetriche, DTI, RS-fMRI, oltre a nuovi approcci di connettomica per esplorare pattern caratteristici nei network cerebrali che convergono e divergono all'interno del continuum SLA/FTD. L'analisi dei volumi di sostanza grigia e delle alterazioni DTI della sostanza bianca in pazienti con MND hanno rivelato l'esistenza di utili marcatori RM di progressione motoria e cognitiva, nonché indicatori prognostici di un conseguente andamento benigno o aggressivo della malattia, che potrebbero essere utilizzati al fine di predire il tempo necessario per lo sviluppo di eventi di interesse clinici. Inoltre, un'analisi combinata della connettomica strutturale e funzionale ha dimostrato un'estesa riorganizzazione dei network nelle regioni sia motorie che extra-motorie dei pazienti con MND. Analizzando nel dettaglio i fenotipi FTD cognitivi, per ciascuna variante, abbiamo dimostrato l'esistenza di pattern caratteristici di RM volumetrica e di riorganizzazione dei network funzionali che si propagano dal corrispondente epicentro di malattia. Infine, abbiamo fornito maggiori evidenze a favore della nozione di un continuum tra FTD e MND, in presentazioni sia sporadiche che genetiche di FTLD. Complessivamente, i nostri studi suggeriscono che la valutazione della connettività dei network nello spettro SLA/FTD è utile al fine di migliorare la nostra comprensione dei meccanismi che mettono in relazione la deposizione proteica e il conseguente danno neuronale con i sintomi motori e cognitivi in questi pazienti. Una conoscenza più approfondita di tali meccanismi permetterà una migliore stratificazione e definizione prognostica dei pazienti che risulterà di vitale importanza in futuri trial clinici effettuati con farmaci in grado di modificare il decorso di malattia.

L'elaborato si concentra sullo sviluppo di connettori dissipativi a U per le connessioni trave-pilastro e trave-tegoli di copertura. Nella prima parte, dopo una breve parte di introduzione vengono effettuate prove su diverse configurazioni di dispositivi per analizzarne il comportamento meccanico al fine di parametrizzarne il comportamento. Lo studio viene effettuato sia tramite prove sperimentali che modellazione agli elementi finiti. Nella seconda parte viene studiato in comportamento strutturale su un fabbricato esistente tramite l'utilizzo di un programma di calcolo. In particolare si determinano i benefici derivanti dall'introduzione di tali connettori nelle connessioni travi-tegoli.

Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è una complessa patologia del neurosviluppo. Ad oggi, la ricerca si è sempre più concentrata sulla comprensione dei meccanismi neurobiologici alla sua base, mostrando come nei bambini autistici sia possibile osservare una diminuzione della connettività a lungo raggio (nelle interazioni reciproche tra le varie aree corticali) e una connettività ipersviluppata a livello locale (nelle regioni del lobo forntale). Queste alterazioni della connettività suggeriscono una propensione verso deficit dell'elaborazione sensoriale: ci sono infatti diverse evidenze di un'alterata integrazione multisensoriale negli autistici. I bambini con ASD, ad esempio, non traggono beneficio tanto quanto gli altri bambini dalla visione del labiale durante l'ascolto di un interlocutore in un ambiente rumoroso. Inoltre, questi bambini risentono in maniera minore di percezioni illusorie, come il SIFI (illusione che porta a percepire più di un flash visivo se presentato insieme a più suoni acustici) e l'effetto McGurk (illusione audiovisiva in cui l'individuo percepisce la fusione della sillaba presentata visivamente e di quella sentita attraverso l'udito). Gli stessi deficit dell'integrazione multisensoriale non sono però stati riscontrati negli adulti con autismo: si è iniziato quindi a ritenere che non ci sia una totale mancanza di elaborazione multisensoriale negli individui con ASD, ma che sussista la possibilità di miglioramento dell'integrazione con il passare degli anni.

L’epilessia è una patologia neurologica cronica in cui l’attività anomala dei neuroni causa crisi ricorrenti. Il trattamento di prima scelta nella cura dell’epilessia sono i farmaci antiepilettici. Tuttavia, circa il 30% dei pazienti epilettici è resistente ai farmaci: una possibile soluzione consiste nella rimozione chirurgica della zona responsabile dell’insorgenza delle crisi, definita zona epilettogena (ZE). La precisa localizzazione della ZE è fondamentale per il successo della chirurgia dell’epilessia. In questo lavoro di tesi, sono stati analizzati i tracciati EEG di tre pazienti epilettici, ricoverati presso l’ospedale Bellaria di Bologna, con l’obiettivo di identificare grandezze in grado di localizzare e lateralizzare l’origine delle crisi epilettiche. In particolare, i segnali sono stati analizzati in termini di potenza e connettività. La connettività cerebrale è stata studiata attraverso la causalità di Granger. Il network cerebrale è stato analizzato utilizzando la teoria dei grafi, con particolare interesse agli indici di degree centrality. I risultati ottenuti dall’analisi di outdegree centrality hanno permesso di confermare le valutazioni cliniche. Due dei tre pazienti analizzati erano affetti da crisi temporali destre; la valutazione dell’outdegree centrality, durante le crisi epilettiche, ha mostrato lateralizzazione destra, con coinvolgimento delle regioni temporali in particolare. Nel caso del paziente affetto da crisi bitemporali, l’indice di outdegree centrality ha confermato il coinvolgimento di entrambi gli emisferi durante le crisi. I risultati ottenuti hanno evidenziato la capacità dello studio di connettività, insieme all’applicazione della teoria dei grafi, di permettere una maggiore comprensione del funzionamento del network cerebrale. Ulteriori studi possono permettere di definire un metodo di localizzazione precisa della ZE, a partire dai tracciati EEG ottenuti in maniera non invasiva.

La connettività dei sedimenti è diventata un paradigma fondamentale per identificare e analizzare i collegamenti che facilitano o inibiscono i flussi di sedimenti di qualsiasi sistema geomorfologico. Quindi capire come la connettività dei sedimenti opera e cambia dopo disturbi naturali, capaci di alterare le caratteristiche di un intero sistema geomofologico, è essenziale per aumentare la conoscenza riguardo il funzionamento dei bacini montani. Tuttavia, analizzare l'impatto di tali fenomeni naturali sulla connettività è ancora una grande sfida. Perciò, l'obiettivo principale della presente tesi di dottorato è quello di indagare gli effetti dei disturbi naturali sulla connettività dei sedimenti in diversi bacini idrografici montani. Nel primo capitolo della tesi, sono presentati due casi di studio condotti in Cile. Il primo studio ha indagato l'impatto di un'eruzione vulcanica sviluppando un'analisi multi-temporale di un’indicatore geomorfometrico (Indice di Connettività-IC), che misura il grado di collegamento tra i versanti e il canale. I risultati hanno mostrato un incremento dei valori di IC dopo l'eruzione, dovuto ai cambiamenti di copertura del suolo e all'espansione del canale attivo. Il secondo studio ha affrontato gli effetti di incendi forestali in un bacino del Cile centrale. Per far ciò si è utilizzato un approccio più affinato del primo studio al fine di migliorare lo studio della connettività dei sedimenti nelle aree colpite dagli incendi. I risultati hanno indicato che la severità degli incendi e le variazioni di IC hanno seguito una distribuzione spaziale simile e che i valori di IC sono aumentati di meno dopo il secondo incendio a causa degli effetti residui del primo evento. Il secondo capitolo presenta un'analisi della risposta idrologica, geomorfologica e sedimentologica di un bacino idrografico alpino ad una tempesta. Nel 2018 la tempesta Vaia ha provocato vasti schianti da vento e inondazioni in tutto il settore montano del nord-est d'Italia. Perciò, l’analisi effettuata nel bacino del Rio Cordon è stata fondamentale per documentare i vari effetti che tale perturbazione ha prodotto in un tipico torrente alpino. L'analisi della connettività, sviluppata con IC e Dem of Difference (DoD), ha fatto luce sul ruolo delle nuove fonti di sedimenti nel fornire materiale dai versanti alla rete idrografica. Pertanto, l'IC è stato usato come strumento di supporto per collegare i risultati delle altre analisi. Nel terzo capitolo e ultimo caso di studio, viene presentato un approfondimento sull’IC. In particolare, la capacità dell'IC di rappresentare la connettività strutturale e di predire la connettività funzionale è stata valutata statisticamente nel Rio Cordon, utilizzando come campioni i collegamenti tra le fonti di sedimenti e la rete di canali. In primo luogo, si è proceduto a valutare lo stato di connettività per ogni fonte di sedimenti. In seguito, la capacità delle mappe di IC di predire tale stato è stata testata attraverso modelli di regressione logistica. I risultati hanno dimostrato che l'IC è accurato nel convalidare i collegamenti statici ma non riesce a predire i collegamenti basati sui processi. Ad ogni modo, si è derivata una soglia netta tra alto e basso IC, che potrebbe favorire l’uso delle mappe di connettività come strumento di gestione dei bacini montani. Nel complesso, in questa tesi ho fornito spunti su come indagare la connettività dei sedimenti in diversi contesti. In più bacini colpiti da disturbi naturali, è stato possibile derivare una metodologia utile per rappresentare la connettività dei sedimenti e le sue variazioni. Inoltre, ho sottolineato che un approccio più quantitativo, fondato sull’IC e sul rilevamento delle variazioni morfologiche, potrebbe sostenere uno studio più olistico. Infine, ho valutato la vera essenza dell’IC, sottolineando i suoi vantaggi e svantaggi, aprendo nuove sfide nel campo della connettività dei sedimenti.
Sediment connectivity has become a fundamental concept to identify and analyse the linkages facilitating or inhibiting the sediment fluxes of any geomorphic system. Therefore, understanding how sediment connectivity operates and changes after natural disturbances, which can alter the properties of an entire geomorphic system, is fundamental to increase knowledge about functioning of mountain catchments. However, analysing the impact of such phenomena on sediment connectivity is still a major challenge. Hence, the main objective of the present PhD thesis is to investigate the effects of natural disturbances on sediment connectivity in different mountain catchments. In the first chapter, two case studies are presented from Chile, where large natural disturbances are a major source of disruption for river basins. The first study investigated the impact of a volcanic eruption by developing a multi-temporal analysis of a gemorphometric indicator (i.e. the Index of Connectivity - IC), used to measure the degree of linkage between hillslopes and channel. The results showed a large increase in IC values after the eruption, due to the land cover changes and the widening of the active channel triggered by the disturbance. The second study case addressed the effects of wildfires in a catchment in central Chile. The methodology developed from a refined version of the approach proposed in the first study to enhance the assessment of sediment connectivity in fire-affected areas. The outcomes indicated that fire severity and IC variations followed similar spatial patterns and that IC increased less after the second wildfire due to residual effects of the first event. The second chapter presents an analysis of the hydrological, geomorphic and sedimentological response of an alpine catchment to a storm. In 2018, the Vaia storm caused massive forest windthrows and large floods throughout the mountain sector of north-east of Italy. In this context, the comprehensive analysis carried out in the Rio Cordon catchment was necessary to inform about a wide range of effects that such event produced in a typical alpine stream. Sediment connectivity analysis, developed with IC and DEM of Difference (DoD), shed light on the role of the new sediment sources in providing the sediment from hillslopes to the stream. Therefore, the IC was used as a supportive tool to validate and link the outcomes of the other analyses, thus highlighting the whole sediment cascade. In the third chapter and last study case, a deep focus on the IC is presented. The study tried to respond to recent challenges and doubts concerning the reliability of the IC and the need for its validation. Specifically, the capability of IC in depicting structural connectivity and predicting functional connectivity was statistically evaluated in the Rio Cordon. First, for each sediment source of the catchment the connectivity status in respect to channel network was assessed. Then, different IC maps were computed and their capability in predicting the connectivity status was tested with logistic regression analysis. The results demonstrated that IC shows high accuracy when validating the static linkages and lower accuracy when predicting event-based linkages. Nevertheless, a threshold between high and low IC was derived, improving the reliability of IC maps as tools for watershed management. Overall, in this PhD thesis, insights about how to investigate sediment connectivity in different contexts were provided. In multiple catchments, affected by natural disturbances it was possible to derive a common and useful methodology to represent sediment connectivity and its evolution. Moreover, I pointed out that a more quantitative approach, based on IC and geomorphic change detection, could support a more holistic study. Finally, I assessed the true meaning of IC, emphasizing its advantages and disadvantages in an alpine catchment and opening new challenges in the field of sediment connectivity.

La connettività dei sedimenti è diventata un paradigma fondamentale per identificare e analizzare i collegamenti che facilitano o inibiscono i flussi di sedimenti di qualsiasi sistema geomorfologico. Quindi capire come la connettività dei sedimenti opera e cambia dopo disturbi naturali, capaci di alterare le caratteristiche di un intero sistema geomofologico, è essenziale per aumentare la conoscenza riguardo il funzionamento dei bacini montani. Tuttavia, analizzare l'impatto di tali fenomeni naturali sulla connettività è ancora una grande sfida. Perciò, l'obiettivo principale della presente tesi di dottorato è quello di indagare gli effetti dei disturbi naturali sulla connettività dei sedimenti in diversi bacini idrografici montani. Nel primo capitolo della tesi, sono presentati due casi di studio condotti in Cile. Il primo studio ha indagato l'impatto di un'eruzione vulcanica sviluppando un'analisi multi-temporale di un’indicatore geomorfometrico (Indice di Connettività-IC), che misura il grado di collegamento tra i versanti e il canale. I risultati hanno mostrato un incremento dei valori di IC dopo l'eruzione, dovuto ai cambiamenti di copertura del suolo e all'espansione del canale attivo. Il secondo studio ha affrontato gli effetti di incendi forestali in un bacino del Cile centrale. Per far ciò si è utilizzato un approccio più affinato del primo studio al fine di migliorare lo studio della connettività dei sedimenti nelle aree colpite dagli incendi. I risultati hanno indicato che la severità degli incendi e le variazioni di IC hanno seguito una distribuzione spaziale simile e che i valori di IC sono aumentati di meno dopo il secondo incendio a causa degli effetti residui del primo evento. Il secondo capitolo presenta un'analisi della risposta idrologica, geomorfologica e sedimentologica di un bacino idrografico alpino ad una tempesta. Nel 2018 la tempesta Vaia ha provocato vasti schianti da vento e inondazioni in tutto il settore montano del nord-est d'Italia. Perciò, l’analisi effettuata nel bacino del Rio Cordon è stata fondamentale per documentare i vari effetti che tale perturbazione ha prodotto in un tipico torrente alpino. L'analisi della connettività, sviluppata con IC e Dem of Difference (DoD), ha fatto luce sul ruolo delle nuove fonti di sedimenti nel fornire materiale dai versanti alla rete idrografica. Pertanto, l'IC è stato usato come strumento di supporto per collegare i risultati delle altre analisi. Nel terzo capitolo e ultimo caso di studio, viene presentato un approfondimento sull’IC. In particolare, la capacità dell'IC di rappresentare la connettività strutturale e di predire la connettività funzionale è stata valutata statisticamente nel Rio Cordon, utilizzando come campioni i collegamenti tra le fonti di sedimenti e la rete di canali. In primo luogo, si è proceduto a valutare lo stato di connettività per ogni fonte di sedimenti. In seguito, la capacità delle mappe di IC di predire tale stato è stata testata attraverso modelli di regressione logistica. I risultati hanno dimostrato che l'IC è accurato nel convalidare i collegamenti statici ma non riesce a predire i collegamenti basati sui processi. Ad ogni modo, si è derivata una soglia netta tra alto e basso IC, che potrebbe favorire l’uso delle mappe di connettività come strumento di gestione dei bacini montani. Nel complesso, in questa tesi ho fornito spunti su come indagare la connettività dei sedimenti in diversi contesti. In più bacini colpiti da disturbi naturali, è stato possibile derivare una metodologia utile per rappresentare la connettività dei sedimenti e le sue variazioni. Inoltre, ho sottolineato che un approccio più quantitativo, fondato sull’IC e sul rilevamento delle variazioni morfologiche, potrebbe sostenere uno studio più olistico. Infine, ho valutato la vera essenza dell’IC, sottolineando i suoi vantaggi e svantaggi, aprendo nuove sfide nel campo della connettività dei sedimenti.
Sediment connectivity has become a fundamental concept to identify and analyse the linkages facilitating or inhibiting the sediment fluxes of any geomorphic system. Therefore, understanding how sediment connectivity operates and changes after natural disturbances, which can alter the properties of an entire geomorphic system, is fundamental to increase knowledge about functioning of mountain catchments. However, analysing the impact of such phenomena on sediment connectivity is still a major challenge. Hence, the main objective of the present PhD thesis is to investigate the effects of natural disturbances on sediment connectivity in different mountain catchments. In the first chapter, two case studies are presented from Chile, where large natural disturbances are a major source of disruption for river basins. The first study investigated the impact of a volcanic eruption by developing a multi-temporal analysis of a gemorphometric indicator (i.e. the Index of Connectivity - IC), used to measure the degree of linkage between hillslopes and channel. The results showed a large increase in IC values after the eruption, due to the land cover changes and the widening of the active channel triggered by the disturbance. The second study case addressed the effects of wildfires in a catchment in central Chile. The methodology developed from a refined version of the approach proposed in the first study to enhance the assessment of sediment connectivity in fire-affected areas. The outcomes indicated that fire severity and IC variations followed similar spatial patterns and that IC increased less after the second wildfire due to residual effects of the first event. The second chapter presents an analysis of the hydrological, geomorphic and sedimentological response of an alpine catchment to a storm. In 2018, the Vaia storm caused massive forest windthrows and large floods throughout the mountain sector of north-east of Italy. In this context, the comprehensive analysis carried out in the Rio Cordon catchment was necessary to inform about a wide range of effects that such event produced in a typical alpine stream. Sediment connectivity analysis, developed with IC and DEM of Difference (DoD), shed light on the role of the new sediment sources in providing the sediment from hillslopes to the stream. Therefore, the IC was used as a supportive tool to validate and link the outcomes of the other analyses, thus highlighting the whole sediment cascade. In the third chapter and last study case, a deep focus on the IC is presented. The study tried to respond to recent challenges and doubts concerning the reliability of the IC and the need for its validation. Specifically, the capability of IC in depicting structural connectivity and predicting functional connectivity was statistically evaluated in the Rio Cordon. First, for each sediment source of the catchment the connectivity status in respect to channel network was assessed. Then, different IC maps were computed and their capability in predicting the connectivity status was tested with logistic regression analysis. The results demonstrated that IC shows high accuracy when validating the static linkages and lower accuracy when predicting event-based linkages. Nevertheless, a threshold between high and low IC was derived, improving the reliability of IC maps as tools for watershed management. Overall, in this PhD thesis, insights about how to investigate sediment connectivity in different contexts were provided. In multiple catchments, affected by natural disturbances it was possible to derive a common and useful methodology to represent sediment connectivity and its evolution. Moreover, I pointed out that a more quantitative approach, based on IC and geomorphic change detection, could support a more holistic study. Finally, I assessed the true meaning of IC, emphasizing its advantages and disadvantages in an alpine catchment and opening new challenges in the field of sediment connectivity.

Il lavoro rappresenta un contributo alla modellizzazione della distribuzione e della dispersione di specie semiacquatiche che dipendono dal reticolo fluviale per l’espletamento delle loro attività quotidiane e dalla permeabilità della matrice territoriale nelle fasi di dispersione. Nella fattispecie, è stata studiata la possibilità di spostamento della lontra eurasiatica (Lutra lutra) fra gli habitat ad essa idonei nella porzione isolata più settentrionale dell’areale italiano. L’obiettivo è stato raggiunto con lo sviluppo di una nuova procedura, basata sulla teoria dei grafi e sull’applicazione dell’indice Probabilità di Connettività (PC). L’indice integra il concetto di disponibilità di habitat a scala di paesaggio con un modello probabilistico di legami funzionali. Secondo tale approccio, la probabilità di un individuo di spostarsi da un habitat ad un altro dipende sia dalla disponibilità complessiva dell’habitat ripario idoneo alla specie, sia dalla distanza e dalla resistenza al movimento opposta dalla matrice territoriale che li separa. L’analisi è stata effettuata a scale diverse, di intero areale e di coppie di bacini contigui. La procedura prevede una selezione degli habitat idonei alla lontra (nodi del grafo), individuati a partire da un modello di idoneità a due classi. I legami del grafo sono costituiti dai cammini di costo minimo presenti fra bacini contigui, che sono stati calcolati considerando la resistenza allo spostamento tra habitat idonei (grid di attrito); essi sintetizzano, in maniera realistica, il movimento anisotropico degli individui al di fuori del loro habitat. Per la caratterizzazione dei valori di resistenza del grid di attrito sono stati usati i seguenti parametri: rete idrografica, altitudine, inclinazione dei versanti, copertura del suolo, strade e centri abitati e densità abitativa. La connettività del sistema è stata espressa con il valore totale dell’indice PC, mentre l’importanza di ogni elemento territoriale (macchie di habitat e corridoi di spostamento) è stata definita con una procedura di gerarchizzazione (tecnica leave one out) consistente nel calcolo della variazione percentuale dell’indice PC (δPC%) dopo l’esclusione di ogni singolo elemento dal paesaggio e dal reticolo idrografico. Per l’identificazione dei criteri volti alla salvaguardia o alla riqualificazione dei nodi e dei legami funzionali, si è fatto ricorso all’indagine fitosociologica. Considerata l’elevata mortalità della lontra durante la dispersione, dovuta soprattutto al traffico stradale, è stato elaborato un modello del rischio da investimenti per l’intero areale periferico (Molise, Puglia, Calabria), che ha esaminato le caratteristiche delle strade e della distribuzione degli habitat idonei per la specie. I risultati indicano un livello di connettività variabile nell’areale. Ad ampia scala, il bacino del Biferno svolge un ruolo chiave nella dispersione della lontra, in maniera coerente con la sua posizione nell’areale e con l’estensione e la continuità degli habitat ripari; i bacini prospicienti la costa rivelano una funzionalità molto bassa in relazione al processo ecologico considerato. A scala di dettaglio, i corridoi più funzionali nel processo di dispersione della specie si concentrano nei settori montani del Molise, mentre la loro importanza diminuisce nelle aree prossime alla costa. L’analisi della vegetazione in alcune aree saggio ha portato a proporre alcuni potenziali interventi di riqualificazione che potrebbero comportare un miglioramento nella connettività del sistema e nello stato di conservazione di alcuni habitat di Direttiva. Con l’analisi del rischio stradale, sono stati individuati i settori fluviali con il più alto rischio associato agli investimenti e quelli in cui la dispersione della lontra sembra meno limitata dalla mortalità causata dall’impatto contro i veicoli. L’approccio metodologico si è dimostrato efficace nella descrizione del processo di dispersione della lontra e costituisce un valido strumento ai fini della pianificazione territoriale con scopo conservativo.
The research project is a contribution to model the distribution and dispersal of semi-aquatic species, which depend on the dendritic river network for their daily activities, and on the matrix permeability for their dispersal movements among river basins. In particular, the possibility of movement of the Eurasian otter (Lutra lutra) among the suitable patches in the most northern isolated portion of the Italian range was studied. The objective was reached by a new procedure based on graph structures and the Probability of Connectivity (PC) index. This index is based on the habitat availability concept and dispersal probabilities between habitat patches. In this approach, the probability of an individual moving from one habitat to another depends on both the amount of suitable habitat at the source and destination areas and the distance and resistance to movement of the matrix which separates them. The analysis was performed at two different scales, evaluating the connectivity of the whole otter range and separately for each pair of adjacent basins. The procedure foresees an initial selection of the otter suitable habitats (which form the graph nodes) as resulting from a habitat suitability model produced by other colleagues. The links of the graph are represented by the minimum cost paths between each pair of nodes; these paths were calculated on a friction grid and synthesize, in a realistic manner, the anisotropic movement of the individuals in a heterogeneous matrix. The environmental parameters essential for otter’s movement and dispersal were taken into account for characterizing the resistance values in the friction grid: hydrographic network, altitude, slope, land cover, roads, human disturbance and inhabitant density. The connectivity of the range was synthesized using the total value of the PC index, while the importance of each territorial element (habitat patches and corridors) was evaluated through a prioritization procedure based on a leave one out technique. This consisted in calculating the percentage variation of the PC index (δPC%) after the exclusion of each individual element from the landscape and basin network. To determine the criteria for the safeguard or the restoration of nodes and functional links, we appealed to the phytosociological approach. Considering the importance of the otter mortality in the dispersal process, mainly due to road traffic, a risk model of the peripheral range was also elaborated (Molise, Puglia e Calabria) taking into account the road characteristics and the distribution of the suitable habitat of the species. The results indicate that there is a variable level of connectivity within the otter’s range. On a coarse scale, the basin of Biferno plays a key role in the process of dispersal, due to its position in the range and the extension and the continuity of the riparian habitats; the basins facing the coast reveal a very low functionality with regard to the ecological process considered. At a fine scale, the nodes prioritization highlighted that the corridors are more effective and functional in mountainous sectors of the range than in the areas near the coast. This is due to two main factors: the decrease in the number, extension and continuity of the suitable habitat patches along the river branches and the increment in the anthropogenic disturbance of the matrix therein. The vegetation analysis in sample areas suggested some potential restoration interventions that would improve both the connectivity for the otter in the range, and the state of conservation of several EU important habitats. The coupled analysis of the river and road networks allowed determining the river sectors with the largest risks associated with traffic accidents, as well as those habitat areas were the otter dispersal potential seems not to be significantly affected by such human-caused mortality. The methodological approach is largely useful in the description of the process of dispersion of the otter and it is an effective tool in landscape planning that may be applied to other similar conservation problems in Italy and elsewhere.

Le connessioni tra i soggetti che operano nei mercati finanziari sono diventate negli ultimi anni sempre più intense e numerose, comportando un aumento del rischio che una situazione di tensione di uno o pochi intermediari si propaghi a livello sistemico. Applicheremo delle misure econometriche di connettività e di rischio sistemico ad alcune istituzioni finanziarie dei principali mercati europei, per analizzare la situazione che sussiste nelle relazioni tra le istituzioni stesse e cercheremo di capire se tali misure hanno anche un potere predittivo, ossia fungono da "early warning indicators", sulle possibili crisi sistemiche.

A gradually increasing number of marine applications in the oil industry require an effective connection for transferring liquids from the oceanic platform to the tanker or from the tanker to the harbor. The design requirements of these systems are high due to safety issues. MIB Italiana S.p.A. company operates precisely in the sector of manufacture of safety connection devices for the transfer of these liquids. In 2010, MIB started a research project aimed at technological development named “Integrated Environment for physical and virtual simulation and design of safety devices for the petrochemical industry”(Sa.Re.Sim.). The aim of this project is to implement an integrated simulation environment (AIS) composed of units which generate technical/technological information, managed by a specific software, them to be used to optimize the design of new components. These units can be of various types, from the physical simulation to the dimensional inspections, from the design drawings to the technical inspections. PhD Activity comes as part of this project: starting from its coordination, proceeding during the various stages of development, until the completion of that. Some issues were actively treated such as business process analysis, geometric CAD modeling, implementation of Knowledge-based design methodologies and Geometric Product Specification. Moreover, taking inspiration from some issues observed, issues of geometric and dimensional inspections were treated. Research work focused on potential and criticality of multi-sensor measuring machines and their applications in industrial and biomedical sector.
Un numero via via crescente di applicazioni marine del settore petrolifero richiedono un collegamento efficace per il trasferimento di liquidi da una piattaforma oceanica alla nave cisterna o dalla nave cisterna al porto. I requisiti progettuali di questi sistemi sono elevati a causa delle problematiche di sicurezza. L’azienda MIB Italiana S.p.A. opera appunto nel settore della produzione di organi di connessione di sicurezza per il trasferimento di tali liquidi. Nel 2010 MIB ha avviato un progetto di ricerca finalizzato allo sviluppo tecnologico denominato Ambiente Integrato per la simulazione fisica e virtuale e la progettazione di componenti di sicurezza per il settore petrolchimico (Sa.Re.Sim.). Obiettivo di tale progetto è quello di implementare un ambiente integrato di simulazione (AIS) composto da unità che producano delle informazioni di tipo tecnico/tecnologico, gestite mediante uno specifico software, da poter essere utilizzate per ottimizzare la progettazione di nuovi componenti. Tali unità possono essere di varia natura, dalla simulazione fisica ai controlli dimensionali; dai disegni progettuali ai collaudi tecnici. L’attività di dottorato nasce nell’ambito di questo progetto: a partire dal suo coordinamento, proseguendo nelle varie fasi di sviluppo, fino al completamento dello stesso. Sono state affrontate attivamente alcune tematiche quali l’analisi dei processi aziendali, la modellazione geometrica CAD, l’implementazione di metodologie di progettazione Knowledge-based e la Specificazione Geometrica dei Prodotti. Inoltre, prendendo spunto da alcune problematiche riscontrate in azienda, durante il dottorato si sono affrontate parallelamente le tematiche dei controlli geometrici e dimensionali. Il lavoro di ricerca ha riguardato le potenzialità e criticità delle macchine di misura multi-sensor e le relative applicazioni nel settore industriale, in generale, e biomedicale, in particolare.

Nel corso dell’ultimo secolo la definizione di “autismo” è cambiata in maniera significativa rispetto a quella inizialmente proposta da Kanner, pioniere nell’ambito della ricerca sull’autismo. Il più significativo cambiamento è in particolare costituito dal passaggio da una definizione dicotomica a una visione continua dell’autismo, con il conseguente conio del termine “disturbi dello spettro autistico” (abbr. DSA). Questo cambiamento paradigmatico è associato alla presa di coscienza che questi disturbi si presentano con caratteristiche ed entità diverse da individuo a individuo. Inoltre, sono crescenti le evidenze che suggeriscono la presenza di tratti autistici anche al di fuori della popolazione clinica. In linea con queste osservazioni, l’obbiettivo del mio lavoro di tesi è stato quello di verificare come i pattern di connettività variano fra soggetti ad alto e basso tratto autistico non affetti da disturbi psichiatrici o clinici, nonché di verificare se questi pattern di connettività esibiscono una continuità con quanto osservato in letteratura su soggetti diagnosticati con DSA. A tale scopo, sono stati ottenuti i tracciati EEG da quaranta partecipanti allo studio. Per mezzo della causalità di Granger sono state ottenute le connettività. Le connettività sono state sottoposte sia a test di tipo statistico (Monte Carlo testing) che ad una analisi della centralità mediante l’impiego della teoria dei grafi. I risultati ottenuti per soggetti a basso tratto autistico sembrano accordarsi con quanto riportato in letteratura. Cionondimeno, la presenza nel gruppo ad alto tratto autistico di alcuni importanti outlier (soggetti con connettività estremamente elevate in una sola direzione) impedisce di raggiungere risultati definitivi. In particolare, i p-value elevati associati sia alle misure di centralità che alle connessioni sembrerebbero essere sintomatici di risultati non statisticamente significativi.

Per le specie ittiche marine, il successo del reclutamento necessita di una continuità tra l’area di riproduzione e quella di sviluppo delle forme giovanili, ed è fortemente influenzato dall’efficacia del trasporto di uova e larve verso le aree di nursery. Molte specie ittiche a riproduzione marina utilizzano gli ambienti lagunari come aree elettive di nursery, svolgendo all’interno di questi ambienti costieri la fase iniziale di vita. Il trasporto di uova e larve di specie nectoniche dal mare agli ambienti lagunari rappresenta quindi un aspetto importante della connettività ecologica tra ecosistemi marini e ecosistemi di transizione. Questo lavoro di tesi è il primo studio quantitativo sull'intera componente ittioplanctonica (uova e larve di pesci) della Laguna di Venezia. Attraverso l'utilizzo di retini standard di tipo Bongo net, sono state effettuate otto campagne di campionamento, a coprire un anno solare, in sette stazioni localizzate in prossimità della Bocca di Porto di Lido. I campioni raccolti sono stati sortati e tutte le uova e larve di pesci sono state poi identificate fino al livello di specie, genere o famiglia. I dati raccolti sono stati analizzati con lo scopo di valutare le eventuali differenze di densità di individui tra le stagioni e tra le posizioni (mare, bocca di porto e laguna). I parametri ambientali raccolti durante i campionamenti sono stati messi in relazione con i valori di densità di uova e larve, al fine di valutarne l’influenza sulla struttura della comunità ittioplanctonica. È stato inoltre sviluppato un indice di connettività mare-laguna, utile a stimare numericamente l’accumulo di uova e larve in laguna. I valori di densità di uova e larve delle differenti specie sono risultati essere caratterizzati da una marcata stagionalità, mentre non sono state rilevate marcate differenze in relazione alla posizione. Ciò a conferma dell'esistenza di una forte connessione tra il mare e la laguna.

L’epilessia del lobo temporale (ELT) può essere associata a diverse eziologie come sclerosi dell’ippocampo, displasie corticali focali, tumori di basso grado e altre lesioni focali, o può essere definita “a causa sconosciuta” quando non vengono identificate alterazioni corticali attraverso la risonanza magnetica (RM). E’ ormai accertato il beneficio dell’intervento chirurgico in pazienti con ELT farmaco-resistente, anche se gli studi indicano che nel 50% dei casi non viene raggiunta la libertà da crisi epilettiche dopo l’intervento (De Tisi et al., 2011). La qualità di vita di questi pazienti è inoltre influenzata, oltre che dal risultato chirurgico, anche dalle comorbidità cognitive e psichiatriche. E’ stato effettuato uno studio prospettico multicentrico su pazienti con epilessia del lobo temporale candidati alla chirurgia resettiva. Sono stati raccolti i dati anamnestici clinici, elettroencefalografici ottenuti da monitoraggi video-EEG, i dati sulle comorbidità cognitive e psichiatriche e sulle terapie farmacologiche. I dati di neuroimmagini derivano dalle acquisizioni con una risonanza magnetica cerebrale ad alto campo (3 Tesla). L’EEG è stato acquisito contemporaneamente alla RM per effettuare la co-registrazione con la RM funzionale (EEG-fMRI). Sono stati effettuati i seguenti studi: 1) descrizione dell’attuale stato dell’arte dei pazienti con epilessia del lobo temporale candidati alla chirurgia, basata sui database di 4 diversi Centri Epilessia del Nord-Centro Italia, e confronto con database del passato. 2) Verifica del contributo alla pianificazione chirurgica di tecniche di neuroimmagine non invasive come la co-registrazione EEG-fMRI, attraverso l’identificazione di cambiamenti del segnale fMRI in concomitanza con anomalie epilettiche critiche o intercrritiche (utilizzo del software Brainvision per l’analisi del segnale EEG e di MATLAB/spm 12 per l’analisi di RM funzionale): a) identificazione della zona epilettogena attraverso le mappe funzionali utilizzando l’outcome chirurgico come gold standard, b) confronto con i risultati di analisi EEG-fMRI descritti in letteratura. 3) analisi delle alterazioni della connettività funzionale (resting states) attraverso una “seed-based analysis” utilizzando come regioni di interesse l’ippocampo e il claustro. 4) analisi di morfometria volumentrica focalizzata sulla struttura interna dell’ippocampo, con l’obiettivo di identificare eventuali correlazioni tra modifiche volumetriche delle strutture dell’ippocampo e le diverse eziologie. I dati di risonanza magnetica funzionale e di volumetria sono stati correlati con diversi item, come l’eziologia, la lateralizzazione emisferica e le terapie farmacologiche. Il punto di forza del progetto è dato dalla numerosità del campione (più di 120 pazienti arruolati) e dalla disomogeneità dei pazienti arruolati in 4 diversi centri: le alterazioni riscontrate nei pazienti rispetto al gruppo dei controlli rappresentano il “core network” dell’epilessia del lobo temporale e possono portare ad una miglior comprensione di come le scariche epilettiche interferiscano con il cervello fisiologico. In futuro un ulteriore ampliamento del campione porterebbe ad un maggior potere statistico dei risultati; inoltre sarebbe interessante confrontare i risultati ottenuti dall’analisi EEG-fMRI con i dati funzionali di registrazioni intracraniche con elettrodi intracerebrali.
Temporal lobe epilepsy (TLE) can be associated to different etiologies such as hippocampal sclerosis, focal cortical dysplasia, low grade tumors and other focal lesions, or it can be defined of “unknown cause” when no cortical alterations are detectable on MRI. The benefit of surgical treatment in patients with drug resistant TLE is well established, although in almost 50% of the cases long-term seizure freedom is not achieved after surgery (De Tisi et al., 2011). The quality of life in these patients is influenced, apart from surgery outcome, also by cognitive and psychiatric co-morbidities. A prospective multi-centric study was conducted in patients with drug-resistant TLE eligible for surgery. Patients’ history on clinical, electroencephalographic data obtained by video-EEG monitoring, cognitive and psychiatric comorbidities, and drug therapies, were collected. Neuroimaging data were obtained for each patient through 3T brain MRI; EEG was recorder simultaneously for EEG and functional MRI (EEG-fMRI) co-registration. Multiple sub-studies were performed: 1) to describe the actual state of the art of patients with TLE eligible for surgery based on the databases obtained by four Epilepsy Centers located in the North- Centre of Italy, and comparison with old databases. 2) to verify the contribution of non invasive techniques such as EEG-fMRI in the surgical planning, through the identification of BOLD changes related to interictal or ictal epileptiform activity (Brainvision software used for EEG post processing and epileptic spikes detection; MATLAB-spm12 used for fMRI analysis): a) identification of the epileptogenic zone through fMRI maps using surgery outcome as gold standard; b) comparison with results available in literature. 3) Investigation of resting- states functional connectivity (MATLAB-spm12) in patients with TLE with seed-based analysis (hippocampus and claustrum used as region of interest). 4) Investigation of the relationship between hippocampus’s structures volume and different etiologies of TLE through MRI morphometry (Freesurfer software). Functional and volumetric neuroimaging data were correlated with different items such as etiology, lateralization of TLE, and drug therapies. The strength of the project is based on the large cross-sectional cohort (more than 120 patients enrolled) and on the heterogeneity of patients studied in 4 different centers. The alterations in the brain networks observed in the patients compared to the control group represent the core network of temporal lobe epilepsy and may lead to a better comprehension of how the epileptic discharges interfere with the physiological brain. Future studies with larger samples of patients would add statistical power to the results; a comparison of the results of EEG-fMRI with functional data obtained by intracerebral electrodes would also add significance to our findings.

Nella tesi, inizialmente, viene introdotto il concetto di Big Data, descrivendo le caratteristiche principali, il loro utilizzo, la provenienza e le opportunità che possono apportare. Successivamente, si sono spiegati i motivi che hanno portato alla nascita del movimento NoSQL, come la necessità di dover gestire i Big Data pur mantenendo una struttura flessibile nel tempo. Inoltre, dopo un confronto con i sistemi tradizionali, si è passati al classificare questi DBMS in diverse famiglie, accennando ai concetti strutturali sulle quali si basano, per poi spiegare il funzionamento. In seguito è stato descritto il database MongoDB orientato ai documenti. Sono stati approfonditi i dettagli strutturali, i concetti sui quali si basa e gli obbiettivi che si pone, per poi andare ad analizzare nello specifico importanti funzioni, come le operazioni di inserimento e cancellazione, ma anche il modo di interrogare il database. Grazie alla sue caratteristiche che lo rendono molto performante, MonogDB, è stato utilizzato come supporto di base di dati per la realizzazione di un applicazione web che permette di mostrare la mappa della connettività urbana.

Il contenuto di questa tesi volge ad esporre le recenti metodiche per lo studio integrato delle mappe funzionali cerebrali basate in particolare su EEG e fMRI. Si sono indagate le ragioni della scelta di queste due tecniche di neuroimaging e si analizza una loro applicazione ad un modello sperimentale condotto in condizione di riposo con lo scopo di individuare reti di connessione cerebrale nella connettività funzionale. Viene fatta una breve descrizione morfologica del cervello con un approfondimento sul funzionamento dell'attività elettrica dei neuroni. In seguito vengono illustrate le varie tecniche di indagine cerebrale, approfondendo i meccanismi dell'elettroencefalografia e della risonanza magnetica funzionale; di entrambe vengono descritti i principi fisici e la loro acquisizione del segnale. Infine viene mostrata l'integrazione dell'EEG con la fMRI ai fini di ottenere un'indagine cerebrale con ottima risoluzione sia spaziale che temporale. Di questa integrazione multimodale vengono elencati gli aspetti positivi e quelli più problematici, come l'introduzione di artefatti, che rendono difficile l'utilizzo del segnale per lo studio delle mappe di connessione cerebrale. Vengono quindi presentate le procedure di preprocessing sia dell'EEG che della fMRI utilizzate per migliorare i segnali al fine di renderli integrabili e un modello sperimentale che studia la connettività funzionale in Resting State Networks.

The study during my Ph.D concerned two topics: follow-up of patients with pulmonary arterial hypertension related to connective tissue diseases and study of coronary microangiopathy in patients with systemic sclerosis, complicated or not by pulmonary arterial hypertension (PAH). Physiopathology and therapy of pulmonary arterial hypertension related to connective tissue diseases Pulmonary arterial hypertension is a severe complication of the connective tissue diseases, in particular systemic sclerosis. The Cattedra and UOC of Rheumatology is a regional Centre for the diagnosis and treatment of PAH. Since 2003, we have recruited 43 patients, 25 being still in follow-up nowadays. The diagnosis of PAH was performed by Doppler ultrasound examination (PSVD > 45 mmHg). Exercise capacity by 6m-WT and Doppler ultrasound were performed initially every 3 months and later every 6 months to verify the efficacy of the treatment or to highlight worsening of the vascular disease. Our study presents the results of short and long-term follow-up; in the 13 patients treated with bosentan for one year, there was a statistically significant reduction of PSVD after 3, 6, and 12 months. The walking distance at 6m-WT was improved with a mean increase of 14 meters after 3 months, 27 meters after 6 months and 30 meters after 12 months. 8 patients improved also the WHO functional class. In the 12 patients treated with bosentan for 2 years, the final mean values of PSVD were maintained at the levels registered after 12 months of therapy. The exercise capacity was instead statistically significantly reduced; in three cases there were complications of connective tissue diseases of the legs (venous thrombosis, tendonitis or arthritis) and in one case worsening of pulmonary fibrosis, which caused a reduction of the walking distance (mean value of 108 meters); moreover, the exercise capacity was reduced by a mean value of 79 meters even in the other 8 patients. These data suggest that the 6m-WT is not an adequate test to evaluate the exercise capacity in patients with PAH related to connective tissue diseases, according to literature. In the following years, in the long-term follow-up of 9 patients, the PSVD tended to go up again, even if in not statistically significant amount: in particular, after 5 years, the PSVD was reduced in 3 patients, similar to the baseline in 2 and increased in 4. 5 patients were still able to perform the 6m-WT, but the mean walking distance was reduced of 122 meters compared to the baseline (p<0,001). The other 4 patients were unable to perform the test due to deterioration of PAH with dyspnoea in 2 cases and to heart failure in the other 2 cases. These data demonstrate that the bosentan is a good therapy during the first year of treatment, maintains the stabilized values of PSVD during the second year, but loses efficacy in the following years; this suggests to improve its effect with a second drug having a different mechanism of action on PAH, to intervene on different etiopathological targets. In fact, the combination therapy appears to be the gold standard for PAH treatment. Study of coronary microcirculation in systemic sclerosis Systemic sclerosis is a connective tissue disease characterized by lesions of microcirculation, firstly functional and later organic. Heart is affected in 50-80% of patients, but frequently without signs and symptoms. In particular, the epicardial coronary arteries are angiographically normal, but the coronary flow is reduced. We investigated the coronary microangiopathy in 37 consecutive patients with systemic sclerosis by the non-invasive determination of coronary flow reserve (CFR); CFR is performed by transthoracic Doppler echocardiography, during infusion of adenosine, to detect early dysfunctions in cardiovascular system in asymptomatic patients. Also in our study CFR was reduced with respect to normal values (?2,5) in 60% of the patients (2,4±0,8 vs 3,3±0,4). We correlated CFR with cutaneous involvement subsets, specific serum autoantibodies, duration of the disease, PAH related to systemic sclerosis and, in this group of patients, bosentan treatment. Nobody presented signs and symptoms of heart disease. CFR is more reduced in the patients with limited scleroderma and positive ACA, even if in not statistically significant amount; there is no correlation with duration of the connective tissue disease. Mean values of CFR in patients with and without PAH are similar. Our data and the literature demonstrate the absence of any correlation between CFR and PAH, instead patients with diffuse scleroderma and with limited scleroderma are easily predisposed to coronary microangiophaty and pulmonary vascular involvement, respectively. In other words, the correlation is between diffuse scleroderma and coronary endothelium and between limited scleroderma and pulmonary endothelium.
Il lavoro svolto nei tre anni di dottorato si è articolato in due argomenti: follow-up di pazienti affetti da ipertensione arteriosa polmonare secondaria alle connettiviti e studio del microcircolo coronarico in pazienti affetti da sclerodermia associata o meno a ipertensione arteriosa polmonare (PAH). Fisiopatologia ed approccio terapeutico all'ipertensione polmonare secondaria alle connettiviti sistemiche L'ipertensione arteriosa polmonare è una temibile complicanza delle connettiviti sistemiche, in particolare della sclerodermia. La Cattedra e UOC di Reumatologia è un Centro regionale per la diagnosi ed il trattamento della PAH. Dal 2003 ad oggi, abbiamo reclutato 43 pazienti, di cui attualmente vengono seguiti 25 in follow-up. La diagnosi di PAH è stata posta con ecocardiografia transtoracica per valori di PSVD > 45 mmHg. Dapprima a cadenza trimestrale e successivamente semestrale, i pazienti venivano sottoposti alla valutazione ecocardiografica e al 6m-WT per verificare l'efficacia della terapia o cogliere precocemente un eventuale peggioramento della malattia polmonare. Il nostro studio riporta i risultati di un follow-up a breve e a lungo termine; nei primi 13 pazienti trattati per un anno con bosentan, vi è stata una riduzione della PSVD statisticamente significativa dopo 3, 6 e 12 mesi. La distanza percorsa al 6m-WT è aumentata in media di 14 metri dopo 3 mesi, 27 metri dopo 6 mesi e 30 metri dopo 12 mesi. In 8 soggetti vi è stato anche il miglioramento della classe funzionale WHO. Dopo due anni di terapia, nei 12 pazienti il bosentan ha mantenuto ridotti rispetto al baseline i valori di PSVD, assestandoli su quelli registrati a 12 mesi. La tolleranza allo sforzo fisico invece è diminuita in modo significativo. Si sono manifestate alcune complicanze delle connettiviti a carico degli arti inferiori (in tre casi trombosi venosa, tendinite, artrite) e peggioramento della concomitante fibrosi polmonare in un caso, che hanno inciso notevolmente sulla riduzione della distanza percorsa in 6 minuti (in media di 108 metri); peraltro, anche negli altri 8 pazienti la capacità funzionale si è ridotta e la distanza percorsa è diminuita in media di 79 metri. Questi dati suggeriscono che il 6m-WT non rappresenta un adeguato test di valutazione della capacità di esercizio nei pazienti affetti da PAH secondaria alle connettiviti sistemiche, in accordo con i dati della letteratura. Negli anni successivi, nei 9 pazienti in follow-up più lungo, la PSVD tendeva a risalire, seppur in modo non statisticamente significativo; in particolare, al quinto anno è rimasta ridotta in 3 pazienti, sovrapponibile al baseline in 2 ed aumentata in 4. Dopo cinque anni di trattamento, 5 pazienti erano ancora in grado di eseguire il 6m-WT, ma la distanza media percorsa al 6m-WT si è ridotta di 122 metri rispetto al baseline (p<0,001). Gli altri 4 pazienti non erano in grado di eseguire il test per il peggioramento della concomitante fibrosi polmonare in due di essi e per il deterioramento della PAH con dispnea ingravescente e scompenso cardiaco negli altri due. Questi dati mostrano che la risposta al bosentan è buona nel primo anno di terapia, si assesta su valori stabilizzati nel secondo, per poi mediamente ridursi negli anni successivi; ciò suggerisce l'opportunità di potenziarne l'effetto associandovi un secondo farmaco, che agisca con un meccanismo d'azione diverso sulla PAH, in modo da intervenire su più targets etiopatogenetici; infatti, i trattamenti di combinazione sembrano costituire il gold standard nella terapia di questa temibile complicanza delle connettiviti sistemiche. Studio del microcircolo coronarico nella sclerosi sistemica La sclerodermia è una malattia del tessuto connettivo caratterizzata da lesioni prima funzionali e poi organiche del microcircolo; l'interessamento cardiaco è segnalato dal 50 all'80% dei pazienti, ma spesso senza segni e sintomi evidenti; in particolare, le arterie coronarie epicardiche sono angiograficamente indenni, mentre vi è una riduzione del flusso coronarico. Abbiamo perciò studiato la microangiopatia coronarica in 37 pazienti consecutivi affetti da sclerodermia grazie alla valutazione della riserva coronarica (CFR): tale metodo non invasivo si avvale di un ecocardiogramma transtoracico, durante infusione di adenosina, e può individuare precocemente un'alterazione del circolo coronarico in pazienti asintomatici. Anche nel nostro studio la CFR è risultata ridotta rispetto ai valori normali (?2,5) nel 60% dei pazienti (2,4±0,8 vs 3,3±0,4). Abbiamo correlato i valori della CFR con la forma clinica della connettivite, il pattern anticorpale, la durata della malattia, la concomitante presenza della PAH e in questo gruppo di pazienti, la terapia con bosentan. Nessun paziente presentava sintomi da riferirsi ad interessamento cardiaco. La CFR è risultata maggiormente ridotta nei pazienti con la forma limitata di malattia ed ACA positivi, sebbene non statisticamente significativa; non vi è correlazione con la durata della connettivite. I valori medi di CFR nei pazienti sclerodermici con e senza PAH sono sostanzialmente sovrapponibili. Considerando i nostri dati e quelli della letteratura, riteniamo che non vi sia correlazione tra CFR e PAH, bensì che i pazienti sclerodermici affetti dalla forma diffusa di malattia vadano maggiormente incontro alla microangiopatia del circolo coronarico e quelli affetti dalla forma limitata all'interessamento vascolare polmonare. In altri termini la correlazione è tra forma diffusa ed endotelio coronarico da una parte e forma limitata ed endotelio polmonare dall'altro.

Il mondo dell’Economia Circolare individua nella Simbiosi Industriale l’approccio più efficace per la valorizzazione delle risorse primarie e secondarie. Tale strumento consente a industrie appartenenti a settori produttivi diversi di interagire per la condivisione di sottoprodotti materiali ed energetici. Per una corretta applicazione della Simbiosi Industriale è necessario individuare le condizioni al contorno al fine di sfruttare al meglio i punti di forza nel sistema in cui si vuole operare e, al contempo, difendersi dalle eventuali sfide che ne frenano l’implementazione. In quest’ottica, dopo una presentazione delle tematiche connesse alla Simbiosi Industriali, l’elaborato presenta uno studio analitico dell’area di interesse atto a caratterizzarne il tessuto imprenditoriale e la produzione dei rifiuti speciali. Il documento si concentra sulla descrizione delle attività del progetto “Connetti-Marche”, quelle svolte durante l’esperienza di tesi e quelle previste per una fase avanzata, volte alla creazione della prima rete di simbiosi industriale nella regione Marche. I risultati principali derivano dalla raccolta di informazioni preliminari tramite interviste semi-strutturate effettuate ad un campione di aziende rappresentative per la fase pilota. Tali risultati disegnano le strade possibili da percorrere mettendo in evidenza le criticità e i punti di forza per l’implementazione del progetto nell’area di studio.

Il presente elaborato di tesi si inserisce nel contesto di una ricerca scientifica condotta presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali dalla Prof.ssa. Ing. Cristina Gentilini e dall' Ing. Francesco Finelli riguardo lo studio di una particolare tipologia di sistema di consolidamento costituito da connettori in acciaio ad alta resistenza che vengono impiegati nelle murature multifoglia, nelle murature a sacco e nei "cavity walls" come collegamento trasversale di pannelli murari. L' obiettivo della tesi è quello di indagare l'influenza del substrato nei confronti del comportamento all'estrazione di tale tipologia di connettore costituito da una barra di forma elicoidale in acciaio ad alta resistenza. A tale scopo si considerano cinque tipi di substrato differenti costituiti nello specifico da tre tipologie di laterizio che possiedono delle caratteristiche, dovute alle modalità di produzione, che ne consentono il confronto con laterizi di tipo storico, e due tipologie di pietra naturale: tufo napoletano e pietra leccese. Lo studio si è articolato in due fasi distine: l'analisi sperimentale e la successiva modellazione numerica. La sperimentazione ha riguardato principalmente l'esecuzione di prove di pull-out sui connettori elicoidali inseriti nei cinque substrati costituiti da materiali differenti. Preliminarmente a questa operazione si è reso necessario effettuare delle prove di caratterizzazione meccanica dei materiali analizzati allo scopo di ottenere i parametri necessari all'impostazione dello studio. La seconda fase ha riguardato la simulazione mediante un modello ad elementi finiti delle prove di pull-out condotte in laboratorio, al fine di riprodurre numericamente il comportamento sperimentale che si è osservato. I risultati dell'analisi numerica sono poi stati confrontati con quelli ricavati dalla sperimentazione al fine di validare l'attendibilità del modello.

Undifferentiated connective tissue disease (UCTD) is a term used to identify a group of patient that while presenting common symptoms of systemic connective disease does not fulfil the criteria for a definite connective tissues disease. Arthralgias, Raynaud, mild fever and anti nuclear antibodies common features in UCTD patients. We have prospectively followed 50 pregnancies in 43 women with UCTD, 142 pregnancies in 111 women with SLE and 35 pregnancies in 26 women with primary Sjögren’s Syndrome. In UCTD women the mean gestational age at delivery was 38.6 weeks, the prevalence of pregnancy loss 2%, preterm birth 2%, cesarean sections 30.5%, Premature Rupture of Membrane (PROM) 0%, preeclampsia 0%, Intra Uterine Growth Retardation (IUGR) 8.2% and newborns Small for Gestational Age (SGA) 12.2%; average weight at birth was 3062.5 g. In SLE group the mean gestational age at delivery was 37.8 weeks, prevalence of pregnancy loss 14.7% (p < 0.005 vs UCTD), preterm birth 22.5%, cesarean sections 61.7%, PROM 8%, preeclampsia 4.2%, IUGR 1.7% and SGA 12.1%; average weight at birth was 2876.8 g (p < 0.05 vs UCTD). In women with Sjögren syndrome the mean gestational age at delivery was 38.5 weeks, prevalence of pregnancy loss 8.6%, preterm birth 13.9%, cesarean sections 29.4%, PROM 3.1%, preeclampsia 0%, IUGR 3.1% and SGA 6.3%. Conclusion: the general outcome of UCTD pregnancies is similar to that observed in women with primary Sjögren’s syndrome, and better than in SLE women. No patients evolved into a definite CTD, nor required an important modification of therapy during and after pregnancy. The general outcome of these pregnancies is now excellent, if prospectively followed by multidisciplinary teams with great experience in this field.

The research work has dealt primarily with the analysis of features from Remote Sensing interpreted as roads in the Southern Valli Grandi Veronesi (Verona Province). The area is known in the literature as a central area of the local terramare "enclave" and, secondly, for the presence of a Roman landscape of marginal importance. The particular conditions of visibility of remote detected buried structures, resulting from prolonged neglect of the area due to extensive reclamation of the marshes until the midnineteenth century, configure the area as being particularly suited to the development of all the methods of investigation of Remote Sensing and surveys techniques. The reaserch was carried out by Remote Sensing on the widest range of platforms available (current and historical aerial photographs, digital orthophotos, satellite images, digital elevation models at different resolution) and through the more refined treatment and processing of images (image enhancing, image processing), or through the use of programs dedicated to the automatic and semi-automatic recognition of anomalies. The methodology of reading, organization and interpretation of features related to constructs road, but also to a number of features that can be interpreted as agricultural channels and ditches, crossed with field data has allowed us to propose a reconstruction of the unexpected complex landscape of the Bronze Age.
Il lavoro di ricerca ha avuto come tema principale l’analisi delle tracce da Remote Sensing interpretabili come costrutti stradali nell’area delle Valli Grandi Veronesi Meridionali. La zona è nota in letteratura come area centrale dell’”enclave” terramaricola delle Valli Grandi Veronesi e, in secondo luogo, per la presenza di un paesaggio di età romana di importanza marginale. Le particolari condizioni di visibilità da remoto delle strutture sepolte, conseguenti al prolungato abbandono dell’area dovuto ad estesi impaludamenti fino alle bonifiche della metà del XIX° secolo, configurano il territorio come particolarmente adatto allo sviluppo di tutte le metodologie di indagine di Remote Sensing e di Archeologia di Superficie. L’indagine da Remote Sensing è stata svolta sulla più estesa gamma di piattaforme disponibili (foto aeree attuali e storiche, ortofoto digitali, immagini satellitari, modelli digitali del terreno a varia risoluzione) sia attraverso il trattamento e il processamento d’immagine più raffinati (image enhancing, image processing), sia tramite l’utilizzo di programmi dedicati al riconoscimento automatico e semi-automatico delle anomalie. La metodologia di lettura, organizzazione e interpretazione delle features riconducibili ai costrutti stradali, ma anche a tutta una serie di tracce interpretabili come canali/canalette agrarie, incrociata con dati raccolti sul campo ha consentito di proporre una ricostruzione del paesaggio dell’età del bronzo di una complessità e di una estensione spaziale per certi versi inaspettata, quanto di difficile verifica a terra

Il presente lavoro consiste nella realizzazione di un'interfaccia utente adibita all'assegnamento di missioni e al monitoraggio remoto di un rover agricolo autonomo. Sfruttando l'informatica per la sua implementazione, tale interfaccia trova invece applicazione nel campo dell'automazione e dell'agricoltura di precisione. L'utilizzatore ha perciò la facoltà di muovere il rover in campo aperto e di demandargli missioni specifiche, ricevendo allo stesso tempo un feedback continuo sul suo operato. L'applicativo software comunica quindi in maniera bidirezionale con il veicolo controllato ed è predisposto per sfruttare diversi canali di comunicazione (antenne seriali, pacchetti udp, socket tcp). La scrittura del codice è stata seguita da una serie di prove di comunicazione con il veicolo, effettuate indoor, e infine da alcuni test completi effettuati outdoor, con il rover in movimento.

Negli ultimi decenni, lo studio della connettività funzionale (FC) nel cervello, in condizioni sia patologiche che sane, ha suscitato sempre più interesse nel campo delle neuroscienze. La FC è definita come una dipendenza statistica tra eventi neurofisiologici remoti, ed è tipicamente valutata attraverso la correlazione tra segnali neuronali di aree cerebrali. Nel cervello, due regioni sono considerate funzionalmente connesse se esiste una relazione statistica tra le loro attività. Molte tecniche sono state introdotte in questo ambito per valutare tale relazione e, tra queste, la più utilizzata è la Risonanza Magnetica funzionale (fMRI). Attraverso l'impiego di protocolli di acquisizione fMRI in stato di riposo (rs-fMRI), questa tecnica può essere facilmente applicata nella pratica clinica, essendo poco invasiva e non richiedendo la cooperazione del paziente nell'esecuzione di compiti specifici. La connettività funzionale può essere distinta in statica o dinamica, a seconda dell’approccio che viene usato per valutarla. Gli approcci statici valutano la FC tra regioni cerebrali, basandosi su una media del segnale fMRI sull'intera scansione, solitamente di durata compresa tra i 5 e i 10 minuti. Gli approcci dinamici, invece, sono stati introdotti più recentemente e hanno lo scopo di determinare la sequenza di stati cerebrali che si susseguono nel tempo, ad intervalli di decine di secondi, caratterizzati da specifiche configurazioni di connettività. Lo studio della connettività dinamica sta diventando di fondamentale importanza in questo campo poiché permette di indagare quanto le dinamiche neurali di specifiche aree o reti cerebrali rallentino o aumentino sia in un cervello sano che in uno colpito da una specifica patologia. In questo lavoro di tesi è stato messo a punto un quadro generale per studiare la FC attraverso approcci sia statici che dinamici, usando dati rs-fMRI. Particolare enfasi è stata data all’applicazione dei modelli di Markov (HMM), modelli statistici che consentono di stimare gli stati cerebrali dinamici e che superano alcune delle limitazioni di quello che è l'approccio più usato in letteratura per l'analisi dinamica della FC. Inizialmente, per ottenere una parcellizzazione ad alta risoluzione spaziale dell'intero cervello nelle principali reti funzionali, è stata applicata un'analisi di componenti indipendenti su un ampio gruppo di soggetti sani. La parcellizzazione ottenuta è stata poi sfruttata in un'analisi di connettività statica per caratterizzare l'alterazione delle reti funzionali in pazienti con tumore cerebrale e a livello di singolo soggetto. In secondo luogo, la parcellizzazione è stata usata in un'analisi di connettività dinamica basata su HMM per studiare, in soggetti sani, gli effetti dell'invecchiamento sulla dinamica degli stati cerebrali. Dopo aver affrontato il problema di selezione del modello, abbiamo introdotto un nuovo indice per la quantificazione dell'incertezza delle stime del modello e abbiamo eseguito un'analisi basata su grafi per caratterizzare gli stati cerebrali in termini di integrazione o segregazione delle reti funzionali. Infine, usando lo schema di analisi sviluppato precedentemente, abbiamo investigato possibili alterazioni di connettività dinamica in pazienti con glioma cerebrale. I risultati ottenuti con HMM sono stati poi confrontati con quelli ottenuti attraverso l’approccio comunemente usato e hanno dimostrato che HMM sono migliori nel separare le dinamiche dei pazienti da quelle dei controlli. I contributi presentati in questa tesi hanno dimostrato che la topografia delle reti cerebrali funzionali può essere alterata e può verificarsi in aree distanti da quella affetta dal tumore, inoltre incoraggiano l'applicazione di approcci di connettività dinamica, come HMM, per catturare le transizioni temporali tra stati cerebrali a livello individuale e per caratterizzare le popolazioni cliniche.
In recent years, the neuroscience community has paid growing attention to the study of brain functional connectivity (FC) both in healthy and pathological conditions. FC is defined as a statistical dependency among remote neurophysiological events, and it is typically inferred through the correlations between neuronal activity signals. In the brain, two regions are functionally connected if exists a statistical relationship between their activity. Many techniques have been introduced in this field to assess such relationship and, among them, the functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is the most used until now, especially if acquired in resting state (rs-fMRI). Indeed, rs-fMRI has a reduced invasiveness and does not require the cooperation of the patient in performing specific tasks. Two categories of approaches exist for investigating FC: static and dynamic approaches. Static approaches assess FC between brain regions after averaging the fMRI signal over the entire acquisition scan, usually lasting between 5 and 10 minutes. Dynamic approaches, on the other hand, aim to evaluate the sequence of FC patterns (i.e., brain states) that occur over time and that, typically, have a duration of a few tens of seconds. Dynamic FC is becoming of paramount importance in this field as it allows to investigate how much the neural dynamics of specific brain areas or networks slow down or up both during the disease and in a healthy brain. This thesis presents a data-driven framework for the analysis of rs-fMRI data to study FC, using both static and dynamic approaches. Particular emphasis is given to Hidden Markov Models (HMMs), a statistical approach recently introduced for inferring dynamic brain states, which overcomes some limitations of the state-of-the-art approach for dynamic FC analysis based on sliding windows and clustering. Firstly, to obtain a high spatial resolution functional parcellation of the whole brain in the major RSNs, we applied an independent component analysis on a large group of healthy subjects. This parcellation was then exploited in a static FC analysis to characterize networks alteration in patients with brain tumors at the single-subject level. Secondly, the parcellation was exploited in a dynamic FC analysis based on HMMs to study the effects of healthy aging on the dynamics of brain states. After overcoming the model selection problem, we introduced a new index for the quantification of the uncertainty of the model estimates and we performed a graph-based analysis to characterize brain states in terms of integration or segregation of the networks. Finally, using the developed dynamic analytical framework, we investigated whether brain gliomas can cause alterations in temporal properties of dynamic brain states. The results obtained with HMMs were then compared for validation with the approach based on sliding windows and clustering and showed that HMM is better in separating patients from controls. The contributions presented in this dissertation provided evidence of the existence of functional alterations in network topography that can occur away from the tumoral area in brain tumors patients and encourage the application of data-driven dynamic FC approaches, as HMMs, to better capture the transitions between brain states at the individual level and characterize clinical populations.

Being a cosmopolitan and migratory species, the osprey Pandion haliaetus provides a good opportunity to explore how behavioural adaptations in different populations, that evolved under different ecological conditions and are widely spaced, can be the proximate causes of geographical distribution, genetic divergence, population connectivity, migratory strategies and foraging ecology. According to this, a multi-scale integrated approach has been adopted for the osprey: through an interdisciplinary framework made by molecular ecology, trophic ecology as assessed via stable isotopic analyses, spatial ecology through the use of novel biotelemetry tools, as well as population dynamics, fish censuses and assessments of levels of human disturbance, we: a) evidenced the existence of four different lineages at global scale that should be treated as Evolutionary Significant Units (ESUs) and deserve specific management; b) revealed population connectivity in the Western Palearctic; c) disentangled the migratory behaviour and winter ecology of Mediterranean ospreys and compared it with northern European populations, in an evolutionary context; d) stressed the need of adequate management measures to be adopted for three local populations of the Mediterranean basin (Corsica, Morocco and Italy). Overall, this work has led to some important advances with respect to the conservation biogeography of ospreys at different scales. Those insights are particularly valuable with respect to the effective management of this emblematic species.

Le proteine sono macromolecole fondamentali in moltissimi processi biologici essenziali per gli organismi viventi e diverse sono le funzioni che possono svolgere: possono ad esempio fungere da anticorpi per proteggere gli organismi da patogeni esterni oppure possono avere ruoli di natura strutturale. Le proteine sono costituite da catene di aminoacidi che ne determinano la forma, ossia il modo in cui una proteina si ripiega, che a sua volta determina la funzione svolta. Fra i vari fattori che hanno importanza nella conformazione delle proteine vi è l'aminoacido cisteina . Esso ha come singolarità funzionale il fatto di poter formare forti legami chiamati ponti disolfuro . I ponti disolfuro hanno un importante ruolo a livello sia strutturale che funzionale nelle proteine. Questi legami covalenti si formano per l'ossidazione di coppie di cisteine . Essendo questi legami particolarmente interessanti, sono stati sviluppati diversi metodi computazionali in silico per la predizione, data la sequenza relativa ad una proteina, delle cisteine coinvolte in questi legami. Il problema è comunemente affrontato con due approcci: nel primo, data la sequenza di aminoacidi di una proteina, si predice lo stato di ossidazione delle cisteine, ossia si predice binariamente per ogni cisteina se é coinvolta o meno in un ponte disolfuro; nel secondo approccio si predice lo schema di connettività delle cisteine ovvero si predicono quali sono le coppie di cisteine legate da ponti disolfuro. In questa tesi si descrive la costruzione di una rete neurale basata sull'approccio del multitask learning , in altre parole si tratta dell'addestramento di un modello per effettuare predizioni diverse contemporaneamente, sfruttando la condivisione di parte dei parametri del modello. E' descritta la costruzione di una rete neurale multitask per la predizione in un unico modello dello stato di ossidazione delle cisteine e dello schema di connettività delle stesse, partendo dalla sequenza di aminoacidi.

La Risonanza magnetica di diffusione (dMRI) sta diventando lo strumento più adatto per indagare la microstruttura del cervello umano in vivo. Modellando le proprietà della diffusione dell’acqua nei tessuti cerebrali, è infatti possibile ottenere delle misure simili a quelle derivate dall’istologia, come la densità di fibre, la loro conformazione e la loro direzione di propagazione, in maniera non invasiva. In più, misure locali di integrità e di orientazione della materia bianca possono essere usate da algoritmi di trattografia per ricostruire globalmente il percorso seguito dalle fibre in tutto il cervello, permettendo di studiare come le varie regioni corticali sono connesse. Nonostante ciò, l’utilizzo della dMRI deve essere condotto con attenzione in presenza di patologie che alterano drasticamente la fisiologia del cervello, come nel caso dei tumori cerebrali. La varietà di microambienti cellulari che caratterizza questo tipo di patologie invalida alcune ipotesi sul quale si fondano i modelli di microstruttura basati sulla dMRI. In più, il processo di ricostruzione della trattografia nel cervello presenta particolari difficoltà tecniche nelle regioni affette dalla patologia. Date queste limitazioni, vi è del valore nell’utilizzare tecniche basate sulla dMRI in questo complesso ambiente patologico? Negli ultimi tre anni, ho avuto modo di esplorare diverse di queste metodologie in una popolazione di pazienti con tumore cerebrale. La presente tesi vorrebbe quindi essere una sintesi di questo lavoro, che costituisce una base verso l’integrazione di tecniche di diffusione avanzate all’interno della pratica neuro-oncologica. Nella sua interità, la tesi presenta tre lavori, organizzati come segue: La prima parte presenta uno studio analitico su due noti modelli di microstruttura, Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging (NODDI) e la Spherical Mean Technique. Questo lavoro è volto alla quantificazione della bontà del fit e precisione parametrica delle due tecniche all’interno della lesione tumorale. Alcuni lavori, concentrati principalmente su NODDI, usano queste tecniche come modelli di segnale e non biofisici, cercando di trovare biomarker capaci di caratterizzare aspecificamente il tessuto patologico. L’analisi qui svolta supporta i risultati di letteratura da un punto di vista tecnico, senza considerazioni sul significato biologico di questi modelli. La seconda parte contiene uno studio di confronto tra due diversi metodi per la quantificazione di regioni di materia bianca sconnessa a causa del tumore. Due categorie di approcci qui sono stati studiati: approcci diretti, e approcci indiretti. I primi fanno uso della trattografia singolo-soggetto per investigare quali fasci di fibre siano affetti nel loro decorso dalla presenza del tumore. I secondi invece non hanno bisogno di acquisizioni dMRI, e utilizzano un atlante normativo di fasci di materia bianca per investigare, probabilisticamente, quali di questi potrebbero essere affetti data la locazione e l'estensione della zona tumorale. Utilizzando noti strumenti di analisi dell’immagine, i due approcci vengono qui confrontati, discutendo pregi e difetti di ciascun metodo. Nella terza e ultima parte della tesi, viene studiata la relazione tra alterazioni di matrici di connettività strutturale (SC) di pazienti tumorali e variazioni regionali di metabolismo misurate usando la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) con tracciante [18F]-FDG. All'interno di questo studio, viene prima proposta una procedura per la selezione dell’algoritmo di trattografia ottimale per le analisi. A seguire, viene sviluppata una metodologia statistica per rilevare le loro connessioni della matrice SC alterate dalla presenza del tumore. La presenza di queste alterazioni viene infine correlata con la PET, e si discutono i risultati ottenuti, ponendo particolare attenzione alle limitazioni di entrambe queste modalità di imaging.
Diffusion-based Magnetic Resonance Imaging (dMRI) is rapidly becoming the instrument of choice to probe the structure of the human brain in vivo. By modelling the properties of water diffusion inside cerebral tissues, it is indeed possible to extract surrogates of histological measures, such as fibre density, conformation and preferential direction, in a non-invasive manner. Furthermore, local orientational features can be used to reconstruct axonal pathways that link different brain regions, allowing the study of how they are structurally connected. Nevertheless, the quantification of dMRI measures must be cautious when the physiological environment of brain tissues is drastically altered. Such is the case of brain tumours. The microstructure of brain tumours is highly heterogeneous, being diverse between and inside specific types and malignancy grade. The wide spectrum of cellular environments they feature invalidates several hypotheses on which diffusion-based microstructure models are built and, contemporarily, poses difficulties in the process of tracking white matter in affected regions. Given these limitations, are these techniques worth using in this complex pathological environment? During the last three years I explored several state of the art diffusion-based methodologies in a cohort of patients suffering from a range of brain tumours. Hence, this thesis strives to be a summary of this work, laying the foundation for future studies aiming to integrate the use of advanced dMRI in the clinical neuro-oncological practice. The thesis is divided in three main parts, which are organized as follows: In the first part, an assessment is made whether two widely known diffusion advanced models, Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging (NODDI) and the Spherical Mean Technique (SMT) are properly fitted in the tumoral lesion in terms of goodness-of-fit and parameter precision. Several works, concentrating mainly on NODDI, used such techniques not as biophysical models but as signal representations, trying to find biomarkers that differentiate more and less isotropic environments which contribute to the totality of the diffusion signal in ‘tumoral’ voxels. These studies were performed without first checking whether these diffusion metrics are mathematically reliable. This issue is here assessed from a technical point of view, without giving specific biophysical meaning to the models in exam inside the tumoral tissues The second part features a comparison study between methods for the identification of structurally disconnected white matter (WM) in brain tumour patients. Here, two branches of methodologies were identified, namely direct and indirect approaches. The formers use single-subject tractography to directly investigate which fibre bundles may be affected by the presence of the tumour. The latters, instead, embed the focal lesion on a normative atlas of white matter tracts, identifying the probability of a WM voxel being disconnected by the pathology. Employing known image analysis metrics, both approaches are discussed, highlighting points of convergence, but also of disagreement, in terms of the physio-pathological information they can convey. In the third and last part of this thesis, tumour-related anomalies of diffusion-based structural connectivity (SC) matrices are put in relationship with metabolic measures from [18F]-FDG PET. A procedure for tractography algorithm selection was firstly performed, and after the SC quantification, a statistical method of detecting altered connections in the tumour-affected SC matrix is presented. Within such a framework, the amount of affected SC entries was eventually quantified in the available cohort of patients and put in relationship with standardized uptake values from PET. Finally, a discussion of the results of this association is provided, paying particular attention to the limitations of these imaging modalities in the brain oncological field.

L’epilessia è la più comune tra le gravi patologie neurologiche e colpisce circa l’1% di tutta la popolazione mondiale e circa il 30% dei pazienti epilettici è resistente ai farmaci. Quindi è molto importante, per la chirurgia dell'epilessia, una completa valutazione del paziente e localizzazione della Zona Epilettogena (ZE). Questo è stato uno dei motivi principali che ha portato l’Ospedale Bellaria di Bologna a sviluppare un programma specifico per la chirurgia dell'epilessia. In questo studio, si è analizzato il caso di una paziente affetta da epilessia focale farmacoresistente, ricoverata presso l'Istituto di Scienze Neurologiche IRCCS di Bologna. Lo scopo principale della tesi è stato quello di ricavare un network epilettogeno a partire da dati EEG della paziente, cercando di individuare una possibile localizzazione della ZE. Per realizzare ciò, si è effettuata una prima elaborazione dei dati EEG, con l’obiettivo di valutare le variazioni tra le tre diversi fasi: fase Background, in cui la paziente mostra una attività elettrica normale; fase Interictal, in cui la paziente mostra una attività anomala non riconducibile ad una crisi; fase Pre-crisi, che comprende due tracciati EEG che precedono di qualche secondo il vero episodio critico. L’elaborazione dei segnali EEG ha riguardato l’analisi spettrale e l’analisi di connettività funzionale tramite opportuni programmi realizzati in ambiente Matlab. I risultati, in frequenza, hanno convalidato l’analisi clinica della paziente, evidenziando una maggiore potenza spettrale alle basse frequenze e intorno alla banda denominata Alphahigh. Tramite l’analisi di causalità di Granger, si è ricostruita una rete di connettività tra le varie regioni cerebrali, al fine di individuare una possibile lateralizzazione di un emisfero. Lo studio della connettività ha fornito degli interessanti risultati preliminari, evidenziando un incremento in alcune connessioni nelle bande suddette nei secondi immediatamente precedenti l’attacco.

Il progetto si riferisce in generale a sorgenti di radiazioni Laser in cui i fasci luminosi, provenienti da più emettitori, vengono combinati tramite diverse tecniche in un unico fascio in uscita per l'accoppiamento in una fibra ottica o guida d'onda.

L’attività di ricerca si è concentrata su diversi temi: i sistemi AIS, la progettazione di dispositivi per la caratterizzazione del canale radio a 76GHz ed i sistemi domotici. Per quanto riguarda l’attività in banda 76GHz il lavoro di ricerca ha riguardato la progettazione e realizzazione dei sistemi riceventi, trasmittenti e di condizionamento ed analisi dei dati. I prototipi sono stati realizzati sia negli aspetti meccanici, che elettronici. Il trasmettitore campione è basato su un oscillatore locale a 12 GHz di derivazione commerciale. Per adattarlo alle esigenze di progetto l’unità è stata sottoposta a reverse engineering e riprogrammazione del PLL. Il segnale viene moltiplicato per 3 da un moltiplicatore armonico commerciale e per 2 da un diodo per microonde (package smd 0102) il cui circuito è stato assemblato con l’aiuto di micromanipolatori. Il segnale a 76GHz viene irradiato da una parabola da 25cm. Tutto il sistema è controllato da una scheda Raspberry PI, che acquisisce anche dati meteo ed elettrici per mezzo di una scheda figlia, anch’essa sviluppata ad hoc. I dati raccolti sono immagazzinati in un database MySQL e resi disponibili per il controllo attraverso interfaccia WEB. L’alimentazione del sistema è realizzata con tecnologia POE. Il ricevitore è parte di un progetto più ampio, volto a realizzare un transverter. La sezione in alta frequenza è simile alla precedente e differisce solo nella tipologia di componente usato per l’ultima moltiplicazione armonica: un doppio diodo al posto di uno singolo. Il segnale ricevuto viene convertito a 144MHz e reso disponibile al connettore della IF. Viene quindi effettuata una ulteriore conversione in discesa a 50 MHz attraverso un mixer bilanciato ed un oscillatore locale realizzato con Si570 (VXCO controllato I2C). La conversione ha consentito il riuso di filtri e ha dato la possibilità di potere correggere eventuali derive in frequenza del sistema. La frequenza dell’oscillatore locale è infatti controllata dalla Raspberry PI attraverso un programma in C. Il segnale viene quindi fornito ad un power meter Analog Devices con uscita in tensione. La tensione risultata viene acquisita attraverso un ADC Microchip a 18bit e riflette, non essendo presenti circuiti di controllo automatico del guadagno, l’intensità del segnale ricevuto a 76GHz. Il valore di tensione viene quindi archiviato in un database MySQL e può essere aggregato ai dati meteo raccolti dal trasmettitore per consentire uno studio più accurato dei fenomeni propagativi in questa banda di frequenza. Il progetto ha visto la collaborazione di alcuni radioamatori locali che hanno messo a disposizione alcuni strumenti per la verifica dei segnali a 76GHz. Appena disponibili sul mercato sono anche state acquisite due unità commerciali operanti a 76GHz che possono operare in ambiente indoor e sono il ’riferimento’ per la calibrazione ed il test dei prototipi realizzati internamente. Le unità trasmettitore e ricevitore sono collegate tra loro attraverso un link point-to-point realizzato in tecnologia Hiperlan. I sistemi AIS sono nati come ausilio alla sicurezza della navigazione marittima, e prevedono l’invio periodico, da parte di natanti e stazioni fisse, di brevi messaggi contenenti i dati di posizione e stato della navigazione. I segnali inviati dalle stazioni fisse del sistema sono particolarmente interessanti in quanto il numero delle stazioni ricevibili (ed in particolare da una ricevente posta in una posizione favorevole come Ancona) varia in funzione delle condizioni di propagazione troposferica. Per confermare questa affermazione è stato realizzato un sistema ricevente composto da unapparato radio commerciale ed un software, scritto in inguaggio PHP, in grado di decodificare le stringhe di testo ricevute. I dati raccolti sono immagazzinati in un database MySQL e pubblicati attraverso un sito web. La serie temporale delle stazioni fisse ricevute è stata confrontata con altri indicatori della bontà della propagazione troposferica: l’intensità del segnale ricevuto da un trasmettitore campione posto in Croazia e le mappe di propagazione redatte sulla base delle condizioni metereologiche. Positivo il riscontro ottenuto in questo secondo caso, a testimonianza del fatto che le stazioni fisse del sistema AIS possano essere usate come indicatore indiretto della bontà della propagazione troposferica in banda VHF. Da questo progetto sono nate una collaborazione con un sito di ascolto radio FM a lunga distanza (fmlist.org) con sede in Germania, con il sito Marinetraffic.com e con il prof. Dimitrios Lekkas professore associato presso l’Università dell’Egeo. In ambito domotico ed AAL, l’attività di ricerca è stata rivolta alla realizzazione della ’Smart Insole’ ed alla interoperabilità tra diverse piattaforme. Nel primo caso è stata curata la realizzazione del sistema di acquisizione dati e comunicazione radio, con particolare riferimento alla parte di gestione dell’energia del sistema, valutando diverse soluzioni hardware per aumentare l’autonomia di funzionamento del dispositivo. Sono stati analizzati diversi prodotti (circuiti integrati di gestione della ricarica per accumulatori LiPO), scegliendo poi un prodotto Microchip che è stato ampiamente caratterizzato ed adattato alle esigenze del progetto. Lo studio ha portato alla realizzazione di una unità molto compatta che integra sia la parte di elaborazione ed invio dati, sia la gestione energetica del sistema, consentendo anche la ricarica wireless. Il secondo contributo è stato dato nella realizzazione della infrastruttura di elaborazione e immagazzinamento dati, integrando nel sistema uno storage molto capiente in tecnologia iSCSI. Ulteriore contributo è stato dato nella ottimizzazione della rete di sensori e nella gestione dei flussi dati verso l’elaboratore centrale.
Research activity focused on three main areas: AIS systems, development of a complete set of devices for 76GHz channel characterization and domotic systems. For what EHF communications concerns, the main activity was the development and prototyping of a communication system made up of a transmitter, a receiver and some signal measurements blocks. Project activity has been dealing with mechanical, electrical and RF aspects. The transmitter side is based on a commercial grade synthesizer which covers the spectrum from 12650MHz to 13200MHz. In order to have a 76032MHz output frequency, the oscillator was reverse engineered and hacked by changing the way the internal PLL is programmed. Signal at 12GHz is fed to a first commercial grade multiplier which feeds a microwave diode (Macomm smd package 0102). The active component was glued on the PCB by means of a silver conductive epoxy and micromanipulators. 76GHz signal is fed to a parabolic antenna having a diameter of 25cm. The whole system is controlled using a Raspberry PI micro-computer, which also acts as a data collector using a self-developed daughterboard. Data are stored in a MySql database and users can display the results of data elaboration using a web server. System power is provided via POE. The receiver side is more complex as it derives from a transverter project. The high frequency side is very similar to the one used in transmitter. The active device is a double-diode in a single 0102 package. The 76GHz signal is downconveted to 144MHz (1st conversion) and then to 50 MHz (2nd conversion). The latter is made using a doubly-balanced mixer and a local oscillator (94MHz) realized with a Si570 I2C controlled VXCO. The second conversion allows the reuse of some filters that were available in the laboratory and a frequency correction to compensate main oscillator drifts. Local oscillator frequency can ben programmed via Raspberry interface. 50MHz signal is fed to a power meter manufactured by Analog Devices. It’s a true RMS/DC converter whose output signal is fed to a Microchip ADC with a 18bit resolution. No AGC cirtuitry is present, so the power level measured by the device at 50MHz, reflects the signal level at 76GHz. The output of the power meter is stored in the database too. Signal and weather data can be processed and displayed simultaneously to better characterize channel versus time and weather conditions. Project was developed thanks to the help of some amateur radio enthusiasts who provided know-how and instrumentation to measure 76GHz signals. Two commercial units working at 76GHz were buyed too, in order to have a "reference" for prototypes improvement and characterization. Transmitter and receiver sides are data linked using an Hiperlan connection. AIS is a tracking system used by ships to increase navigation security, by exchanging data among nearby ships, base stations and satellite. Exchanged data is in the form of short messages containing geographical position and navigation status. We focused our attention on base stations (fixed) and noticed that the number of different base station received is time varying. Variation are caused by changes in the tropospheric conditions which lead to an alteration of electromagnetic waves propagation. In order to demonstrate the hypothesis a receiving system has been deployed. It is made up of a commercial VHF receiver and AIS demodulator which output AIS messages in form of a string via tcp/ip connection. AIS messages are decoded by a a software written in PHP language and able to store decoded data in a MySql data base. Data can be accessed via web interface and it is possible to visualize historical data set and plot graphics. The number of fixed stations received was compared versus the signal intensity of a becon transmitter located in Croatia and versus Dx forecasting maps. The latter are drawn startin from numerical meteo data and showed a good correlation with the number of fixed station received. This shows that the number of received fixed stations from AIS can be used to investigate electromagnetic wave propagation in the VHF band. Within this project a collaboration with fmlist.org arouse, which is an international community dedicated to long distance broadcast listeners. Research activity in domotics was focused on the "smart-insole" and interoperability among different platforms. The "smart-insole" is a data acquisition platform which if tailored to fit in shoe. Three resistive force sensors have been installed on the bottom of the insole. Data is acquired by a microcontroller board which process information and transmit the results to a central server by means of a wireless ISM-band connection. A great effort was done in order to keep energy consumption very low and to optimize recharging of integrated LiPo batteries. Many different electronic devices were compared. The final solution was the use of a Microchip-based demo board which was modified to reduce the physical dimensions and to adapt to project constrains. In order to recharge batteries a wireless solution was developed which minimizes human interaction with the system. In the interoperability field the contribution given lead to the creation of a complex hardware/software architecture for data processing and storage. A big network mass-storage was configured using ISCSI in order to be completely hidden to final user.

Measures of connectivity and dispersion of the spiny lobster Palinurus elephas (Fabricius, 1787) in Sardinia through the use of STRs and mitochondrial genetic markers The spiny lobster Palinurus elephas is an important alieutic resource for all the Mediterranean Sea and especially Sardinia. For this reason, recently, in order to protect the intensively exploited stocks of the species, several no-take areas have been created in Sardinia seas. Apart from the first area (Su Pallosu), established in 1998, 14 new no-take areas have been created in 2009, after the encouraging results of the first experimentation. On the basis of this new important project, for the first time a genetic survey was established, through the development of this thesis, in order to achieve several important objectives. In fact, the present work permitted to: i) evaluate the genetic effects of the first pilot project established in Su Pallosu in 1998, comparing the molecular data of individuals sampled at the time of the institution and after twelve years; ii) provide the first genetic data and characterize the populations living in the new no-take areas, which will serve as a future baseline for comparison in assessing the effectiveness of new project; iii) estimate the extent of the gene flow and thus the connectivity and genetic structuring among populations of Palinurus elephas in Sardinia; iv) assess the health status of the stock, through the measurement of genetic variability and any demographic changes over time; v) verify the efficiency and the differences of two genetic markers here implemented. The study was accomplished through the use two different molecular markers: 10 different microsatellite loci, of nuclear origin, and a portion of the mitochondrial control region. The two types of markers have substantial differences in terms of measuring the spatial and temporal variability, thus can be considered complementary in the study. In order to achieve all the objectives, 305 individuals of spiny lobsters were sampled, representing 7 of the 15 no-take areas, and genetically characterised for all microsatellite loci and mitochondrial control region. Results evidenced a positive increment in genetic variability in the first experimental area Su Pallosu from 1998. This results enforces the success of the repopulation action. Moreover, mitochondrial marker did not reveal any significant structure among sampling sites, whereas the individuals seem to belong to the same unique population. From a demographic point of view, Su Pallosu sample seems to be stable, mainly because of the release in the area of tagged spiny lobster during the restocking project, while all other samples are most probably expanding at the moment. Once again, all efforts towards the establishment of an active repopulation seems to be positive. Microsatellite loci, on the other side, seem to reveal a fable population structure, also because of the higher resolution degree of the marker, nevertheless this structure is not to be considered as consequence of a reduced gene flow. This weak structure could be the result of two important opposite forces driving the gene flow: a very dispersive larval phase versus a more sedentary adult lifestyle. In conclusion, the results here shown demonstrate the efficacy of a more aware and conscious policy towards such an important ecological and economic resource. All efforts to repopulate and make recover the Sardinian spiny lobsters population seem to be effective and should be maintained and improved whenever and wherever possible. The results obtained today, originating in 1998, give strong support for locally defined management and conservation plans strategies that have been demonstrated to be effective.

Lo studio dei ritmi celebrali è una tematica molto sentita dalle neuroscienze moderne, in quanto strettamente connessa al crescente interesse verso le dinamiche neurali, che rivestono un ruolo fondamentale nei processi di elaborazione del cervello. Questi ritmi sono il prodotto dell’interazione di innumerevoli gruppi neurali che condividono ed elaborano le informazioni attraverso processi chimici ed elettrici. L’attività svolta dalle popolazioni neuronali può essere osservata e misurata attraverso un apposito strumento, l’elettroencefalografo (EEG) che, attraverso un gran numero di elettrodi posizionati sullo scalpo, misura i campi elettromagnetici prodotti dall’attività delle cellule nervose. Le onde registrate presentano caratteristiche differenti che dipendono dallo stato psicofisico del soggetto durante la fase di acquisizione: ad esempio se è rilassato o sta svolgendo un task motorio oppure se è affetto da una qualche patologia permanente o temporanea come una lesione cerebrale dovuta a eventi traumatici o patologici, quali malattie neurodegenerative o problemi vascolari. Molti studiosi e ricercatori si sono cimentati nella realizzazione di modelli di sistemi neurali che riuscissero a replicare tali dinamiche e a generare segnali simili agli EEG reali. Questi modelli prevedono l’uso di un numero di variabili di stato ridotto rispetto alla precedenza classe e in cui viene modellata un’intera popolazione di neuroni. Essi forniscono un quadro più generale dei meccanismi celebrali e meglio riproducono l’attività ritmica registrata tramite l’EEG. Questo lavoro di tesi nasce per studiare i meccanismi esistenti tra varie aree della corteccia cerebrale in soggetti con lesione unilaterale a cui è richiesto di svolgere un semplice task motorio. L’obiettivo è di riuscire a simulare, attraverso un modello a massa neurale, gli spettri reali e stimare quei parametri del modello che influenzano tali spettri a cui è possibile attribuire un significato neurofisiologico.

Studies concerning the status of conservation and exploitation of cartilaginous fish are essential to better understanding the biology and degree of threat of this important taxonomic group, that takes on great importance for his ecological role in the control of coastal and oceanic ecosystems. Taking into account the vulnerability of elasmobranchs, due to of their biological characteristics (low fecundity, late maturity and slow growth rates), they are mainly affected by anthropic influence, as fishing pressure. In fact, there is evidence that the elasmobranchs of the Mediterranean are declining in abundance, diversity and range due to the intense fishing activity. The genetic application to the fisheries plays an important role to define the level of intraspecific differentiation, genetic variability and the definition of stocks, proved to be a powerful tool to establish correct management plans for the marine resources. In this background, the main objective of this study is to assess genetic variability and connectivity in populations of two demersal elasmobranch species: Raja clavata and Scyliorhinus canicula, using microsatellites markers. The two species are caught by different fishing techniques like trawling, trammel nets and longline, but their commercial value is restricted to certain regions of the Mediterranean and they are primarly caught as bycatch in various demarsal fisherier. The thornback ray, Raja clavata is widely distributed in Mediterranean, Black Sea and the Atlantic coasts of Europe and Africa. The recent decreases in abundance and distribution in several areas of its geographical range led to inclusion of this taxon in the IUCN Red List as Near Threatened. Analyses were carried out on a total of 294 individuals collected from seven areas in Mediterranean (Western, Central and Eastern) and comparing them to Northeastern Atlantic using 8 microsatellite loci. Moderate levels of genetic diversity were found (uHe=0.66), with the highest values recorded in the North Sea (0.67) while the lowest in the Tyrrhenian Sea (0.57). Pairwise FST and DEST estimetes revealed genetic homogeneity between samples geographically close. North Sea samples was significant differentiated among Mediterranean populations, but Cyprus was found to be highly divergent from all the other samples, showing the highest pairwise FST and DEST values. The results of the AMOVA highlighted significant genetic differentiation comparing on three groups Cyprus/central western Mediterranean/North Sea (FCT= 0.058, P=000) Excluding eastern sample (Cyprus) ,the differentiation between the 2 groups (western Mediterranean/Atlantic Ocean), was lower but still significant. Within the Mediterranean basin, pooling samples based on geographical distribution (Western/Central/Eastern) a significant differentiation emerged (AMOVA: Fct=0.038, P<0.05), furthermore Mantel test found a significant association between genetic and geographical distance across all samples. The strong subdivision between eastern Mediterranean and other samples is also consistent with the number of cluster identified in STRUCTURE, in which Cyprus had the highest proportion in a separated cluster from other populations. According to the bottleneck results, only North Sea sample seemed to show a bottleneck signal, whereas all the other investigated populations showed a substantial demographic stability. Temporal comparison in three locations in Sardinia, sampled twice (in 2005 and 2012), highlighted no significant difference in genetic variability and differentiation. The small spotted catshark, S. canicula is one of the smallest catshark species and the most abundant in the European inshore waters. Although the species is listed as Least Concern in the red list IUCN it was considered overexploited in some areas. It is primarily caught as by catch in demersal fisheries, but also it is important as commercial species. Analyses were carried out on a total of 265 individuals sampled from ten areas within the Mediterranean Sea (Western, Central and Eastern) and one in Northeastern Atlantic, using twelve microsatellite loci. Genetic diversity was similar among populations (overall uHe=0.66), with the highest value for Morocco sample (MOR uHe=0.73). AMOVA analyses indicated a significant genetic differentiation among all locations (overall FST = 0.045;P-value=0.00). Pairwise FST and DEST values confirmed significant differentiation among all samples, with North Sea showing the highest heterogeneity. Mantel Test revealed a positive correlation between geographical and genetic distance among all samples, but no within the Mediterranean basin. AMOVA within the Mediterranean Sea found the highest values of Fct pooling samples on four groups (Sardinian samples/Morocco/Algery/Cyprus) (FCT= 0.049 P=0.000). Bayesian analysis confirmed the results of genetic differentiation testing for the K=5 in which also North Sea sample (sharing cluster with Algery) showed high genetic separation from the other Mediterranean samples. Demographic analysis revealed a bottleneck signal only for the North Sea sample, as registered for the thornback ray. Furthermore, for both species no significant differences consistent for sex-biased dispersal was found. The present study has been helpful to provide genetic data for both species in order to assess the genetic diversity and connectivity at intraspecific level. As regard R. clavata, the previous population genetic studies were limited to the Atlantic Ocean, including just a small sample in three areas in the Mediterranean and the Black Sea. For this reason it was necessary to provide new insights for thornback ray populations within the Mediterranean Sea. Results obtained instead for S. canicula provided further genetic data to compare with the scientific paper produced in recent years, and also they provided more details for population around Sardinia coasts.

Numerosi sono ad oggi gli studi che permettono di mettere in evidenza le basi neurali e i meccanismi funzionali delle emozioni. La difesa contro le minacce e la generazione della paura sono comportamenti e stati d’animo gestiti da regioni che comunicano tra di loro continuamente, generando memorie a lungo e breve termine, utilizzate per anticipare stimoli ed eventi avversivi nel futuro. L’amigdala e la corteccia prefrontale sembrano ricoprire un ruolo cardine di questa coordinazione di segnali, soprattutto nella modulazione della capacità di adattamento alle condizioni per cui la paura possa manifestarsi in un soggetto. Viene confermato come i ritmi cerebrali contengano le informazioni principali che permettono il trasferimento di informazioni essenziali per l’apprendimento di un avvenimento avversivo e come estinguerlo nel momento in cui non lo sia più. L’EEG è lo strumento principale utilizzato per la rilevazione dei segnali cerebrali utili per il tracciamento della comunicazione tra le diverse aree cerebrali durante compiti di apprendimento associativo come il condizionamento Pavloviano alla paura. Questa comunicazione tra le diverse ‘regions of interest’ (ROI) viene predetta nel momento in cui diverse serie temporali di connettività si influenzano a vicenda permettendo una predizione futura della connettività cerebrale tramite il test statistico di causalità di Granger. Vengono così studiate le connettività nel dominio del tempo e della frequenza e viene confermato come le diverse aree cerebrali sono in continua comunicazione durante l’espressione di un particolare stato d’animo come la paura.

Introduzione: Il cervelletto è noto per essere coinvolto sia nelle funzioni motorie che in quelle cognitive del cervello, più in particolare esso presenta una suddivisione interna in parte anteriore e parte posteriore, che si differenziano per il loro diverso coinvolgimento nelle funzioni sensorimotorie e in quelle prettamente cognitive, rispettivamente. Scopo: Studiare la connettività funzionale in condizioni di resting state, ovvero di veglia rilassata, dei lobuli cerebellari coinvolti nelle funzioni sensorimotorie e di quelli coinvolti nelle funzioni cognitive, correlando con i dati clinici e con il danno strutturale, in pazienti con Sclerosi Multipla (SM). Metodi: Sono stati inclusi nello studio 119 pazienti con MS (28 maschi, età 38.9±10.1 anni, media±SD), di cui 91 Relapsing Remitting e 28 Secondary Progressive, e 42 soggetti di controllo, della stessa età e sesso (13 maschi, età 35.6±11.3 anni). I soggetti sono stati sottoposti a Risonanza Magnetica 3T, includendo sequenze come T13D, T2 ed EPI. Gli stessi sono stati esaminati con una batteria di test clinici, quali Expanded Disease Status Score (EDSS) e la scala funzionale della SM. I test EDSS, 9-Hole Peg Test (9-HPT) e 25 Timed Foot Walking Test (25-TFWT) sono stati usati come misura di disabilità motoria, mentre il Paced Auditory Serial Addition Test (PASAT) come misura di disfunzione cognitiva. Il cervelletto di ciascun soggetto è stato parcellizzato in una parte sensorimotoria (smCb), dato dai lobuli I–V and VIII, e in una parte cognitiva (cCb) data dai lobuli VI–VII, IX-X, con lo Spatially Unbiased Infratentorial Toolbox (SPM12). La connettività strutturale è stata studiata calcolando il volume del smCb e del cCb. I dati funzionali sono stati analizzati con FSL toolbox. La connettività funzionale in resting state (rsFC), a livello dei voxel, è stata analizzata prendendo come regioni di interesse il cervelletto sensorimotorio e quello cognitivo. Infine sono state calcolate le correlazioni con i dati clinici tramite test non parametrici (FSL Randomize, FDR corretto se p<0.05). L'età, il carico lesionale, il volume di materia bianca e materia grigia sono stati inclusi come covariate di non interesse. Risultati: I pazienti con SM, rispetto al gruppo di controllo, hanno presentato una rsFC diminuita tra il smCb e giro precentrale, opercolo e basalganglia, e una rsFC aumentata con corteccia parietale superiore, corteccia prefrontale, cuneo e talamo. La rsFC del cCb è risultata diminuita nel giro prefrontale, corteccia temporale laterale, precuneo, insula e verme del cervelletto, mentre è aumentata nel giro precentrale, postcentrale, corteccia temporale mesiale e occipitale, precuneo e talamo. L'EDSS e il 9-HPT correlano negativamente con l'rsFC dell’smCb nel precuneo, corteccia parietale laterale e giro postcentrale. Il PASAT correla positivamente con l'rsFC del cCb nel giro frontale superiore e medio, corteccia parietale superiore, corteccia occipitale laterale, nucleo caudato. I pazienti presentano atrofia cerebellare sia del smCb che del cCb. Conclusioni: La connettività funzionale del cervelletto, in condizioni di resting state, è risultata alterata con le aree sopratentoriali nei pazienti con sclerosi multipla. Le correlazioni con i dati clinici indicano che tale alterazione funzionale è associata ad una disabilità clinica minore, sia in termini di disabilità motoria che di declino cognitivo; ciò suggerisce un ruolo compensativo della rsFC cerebellare aumentata.
Introduction: Anatomical, clinical and imaging findings suggest that the anterior and posterior cerebellar lobes are engaged in motor control and in cognitive functions, respectively. The scope of this thesis: The material presented in this thesis provides new insights concerning the role of the cerebellum and its functional alterations in multiple sclerosis, with the application of functional MRI. The aim of our work is to focus on the different contributions of the two lobes of the cerebellum at rest, in order to better understand their different involvement in motor and cognitive functions. In the current study, we used resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) to study subjects with Multiple Sclerosis (MS) while they are at rest. Resting state functional connectivity (rsFC) of the sensori-motor and the cognitive lobes of the cerebellum and their correlation with clinical variables were investigated. Methods: We enrolled 119 patients (28 males, aged 38.9±10.1 years, mean±SD), including 91 relapsing remitting and 28 secondary progressive MS, and 42 age- and gender-matched healthy subjects (HS, 13 males, aged 35.6±11.3 years). Subjects underwent a 3T MRI, including T13D, T2w and resting state functional MRI. Patients were evaluated by the Expanded Disease Status Score (EDSS) and MS functional composite scale. We used EDSS, 9-Hole Peg Test (9-HPT) and 25 Timed Foot Walking Test (25-TFWT) as measures of motor impairment and Paced Auditory Serial Addition Test (PASAT) as measure of cognitive functions. In each subject, cerebellum was parcelled into smCb (lobules I–V and VIII) and cCb (lobules VI–VII, IX-X) via the Spatially Unbiased Infratentorial Toolbox (SPM). Data were analyzed via FSL. Voxel-wise rsFC was calculated using smCb and cCb as seeds. Correlations and group differences were non-parametrically computed (Randomize, FDR corrected at p<.05). Age, lesion load, grey and white matter volumes were included as covariates of no interest. Results: Compared to HS, in MS patients rsFC between smCb and precentral gyrus, operculum and basal ganglia was decreased, while rsFC between smCb and superior parietal and prefrontal cortices, cuneus and thalamus was increased. As well, rsFC between cCb and prefrontal gyrus, lateral temporal cortex, precuneus, insula and vermis was decreased, whereas rsFC between cCb and pre- and post-central gyri, occipital and mesial temporal cortices, precuneus and thalamus was increased. Both EDSS and 9-HPT negatively correlated with rsFC of smCb with precuneus, lateral parietal cortex and post-central gyrus; 25-TFWT negatively correlated wth rsFC between smCb and the right post-central gyrus and left precuneus. PASAT positively correlated with rsFC of cCb with superior and middle frontal gyri, superior parietal and lateral occipital cortices, caudate nucleus and cerebellum. Conclusions: Cerebellar rsFC with supratentorial brain areas is altered in MS. The correlations between cerebellar rsFC and clinical scales indicate that the higher the rsFC the lower the clinical disability, in terms of both motor impairment and cognitive decline, suggesting a compensatory role of the increased cerebellar rsFC.

This thesis proposes a probabilistic approach for the quantitative assessment of reach- and network-scale hydrological connectivity as dictated by river flow space-time variability. Spatial dynamics of daily streamflows are estimated based on climatic and morphological features of the contributing catchment, integrating a physically based approach that accounts for the stochasticity of rainfall with a water balance framework and a geomorphic recession flow analysis. Ecologically meaningful minimum stage thresholds are used to evaluate the connectivity of individual stream reaches, and other relevant network-scale connectivity metrics. The framework allows a quantitative description of the main hydrological causes and the ecological consequences of water depth dynamics experienced by river networks. The analysis conducted in this thesis shows that the spatial variability of local-scale hydrological connectivity strongly depends on the spatial and temporal distribution of climatic variables. Depending on the underlying climatic settings and the critical stage threshold, loss of connectivity can be observed in the headwaters or along the main channel, thereby originating a fragmented river network. The network-scale approach developed in this work provides important clues for understanding the effect of climate on the ecological function of river corridors, and offers a new perspective to define ecological flows for the development of sustainable water policies.
Questa tesi propone un approccio probabilistico per quantificare la distribuzione spaziale della connettività idrologica alla scala di rete dettata dalla variabilità spazio-temporale dei deflussi. Le dinamiche spaziali dei deflussi sono definite sulla base delle caratteristiche climatiche e morfologiche del bacino contribuente, integrando un approccio fisicamente basato che descrive la stocasticità delle precipitazioni, ed incorporando un modello di bilancio idrologico e un modello di deflusso di recessione geomorfologica. La connettività idrologica lungo il reticolo idrografico è valutata sulla base di soglie associate a tiranti idrici ecologicamente significativi. Il modello proposto consente una descrizione quantitativa delle principali cause idrologiche e delle conseguenze ecologiche delle dinamiche dei tiranti sperimentate dalle reti fluviali. Le analisi condotte in questa tesi mostrano che la variabilità spaziale della connettività idrologica alla scala locale dipende fortemente dalla distribuzione spaziale e temporale delle variabili climatiche. I risultati evidenziano come la forma del reticolo connesso possa essere influenzata in modo cruciale dalle dinamiche idrologiche sottostanti. L'approccio a scala di rete sviluppato in questo lavoro fornisce importanti elementi per la comprensione dell'effetto del clima sulla funzione ecologica dei corsi d'acqua naturali e offre una nuova prospettiva per la definizione dei deflussi ecologici determinanti per lo sviluppo di politiche idriche sostenibili.

Oggetto del presente elaborato è l’analisi contrastiva di sentenze penali italiane, austriache e tedesche del più alto grado di giudizio. Le analisi sono condotte su tre corpora di sentenze, uno per ogni variante linguistica presa in considerazione, e si svolgono su due livelli: il primo prevede l’analisi degli elementi macro- e microstrutturali delle sentenze, mentre il secondo livello si concentra sugli elementi di coesione testuale con un’analisi statistica della sintassi e della semantica dei connettori testuali, la cui funzione principale è quella di costruire relazioni semantiche tra gli elementi costitutivi del testo. Con la prima analisi si vogliono mettere in risalto le differenze tra il tedesco giuridico della Germania e quello dell’Austria ed evidenziare quindi le differenti strategie traduttive che devono essere utilizzate, se si ha a che fare con varianti di una stessa lingua provenienti da due sistemi giuridici differenti. Per quanto riguarda, invece, l’analisi degli elementi di coesione testuale, il suo obiettivo è quello di verificare da una parte, se esistono delle differenze nell’uso dei connettori all’interno della lingua tedesca e dall’altra di vedere quali differenze possono esserci nell’uso dei connettori in italiano e in tedesco. Nel primo capitolo si introducono i concetti giuridici che stanno alla base del processo penale in Italia, Austria e Germania, per introdurre la materia di base dei testi oggetto dell’analisi. Nel secondo capitolo si espongono delle considerazioni relative al genere testuale della sentenza e ai fattori extra-testuali che condizionano la sua redazione. Nel terzo capitolo si espone l’analisi contrastiva degli elementi macro- e microstrutturali dei corpora di sentenze italiane, austriache e tedesche. Nel quarto capitolo, infine, si espone l’analisi sintattica e semantica dei connettori individuati nei corpora di sentenze.

In this decade, establishing structure-function relationships in human brain has become one of the most influential concepts in modern cognitive neuroscience since interactions among cerebral components are fundamental to explain cortical activities ([1]; [2]; [3]). In literature such relationships have been defined in terms of structural, functional and effective connectivity. This distinction, mainly focused on the theoretic concept, is also related to the different measurement instruments and analytical tools used for acquiring and processing the data. The structural connectivity refers to a pattern of anatomical links among brain regions. Its analysis aims to characterize the architecture of complex networks underlying the cerebral functional organization. Magnetic Resonance Imaging and especially Diffusion Tensor Imaging can be used to convey information concerning the physical connection between neuronal populations. Functional/effective connectivity aims at identifying the presence and the strength of connections in terms of statistically significant dependency. The former is defined as the temporal correlation between neurophysiological events occurring in distributed neuronal groups and areas. The latter describes the causal influence that one neural system exerts over another either directly or indirectly in terms of temporal precedence and physical control ([4];[5]). Functional and effective connectivity can be estimated exploiting both Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) and electrophysiological signals, such as Electroencephalography (EEG) and Magnetoencephalography (MEG), with different advantages and drawbacks, respectively. fMRI provides high spatial resolution (mm) but poor temporal precision (s) while EEG/MEG has more limited spatial resolution (cm) and higher temporal precision (ms). Because functional and effective connectivity are largely estimated over time, EEG and MEG are more suitable for calculating such connectivity. In literature several methods have been developed to characterize brain connectivity in terms of network topology, connections strength and causality, following two main approaches: the data-driven, where topology, causality and strength are all inferred from data, and the neural model-based, where the model topology is postulated from a priori knowledge and only the connections strength is estimated from the data. - Data driven approach. The data driven approach includes linear, non-linear and information-based techniques. The linear ones provide a battery of indices derived by multivariate autoregressive models (MVAR) based on Granger causality principles ([6]) or MVAR frequency response ([7]). Such are Ordinary Coherence, Partial Coherence, Directed Transfer Function (DTF) and Partial Directed Coherence (PDC). These indexes measure the strength of the linear coupling between two signals; in addition DTF and PDC provide information about causal influence ([8]). o Among the non-linear techniques, phase synchronization has been shown to be very effcient in detecting interactions between oscillators. The phase locking values approach assumes that two dynamic systems may have their phases synchronized even if their amplitude are zero correlates ([9]). o The most representative information-based technique is the cross mutual information that measures the mutual dependence between two signals by quantifying the amount of information gained about one signal from measuring the other, as a function of delay between these two signals ([10]). - Neural model based approach. Representative methods are the Structural Equations Modelling (SEM) and the Dynamic Causal Modelling (DCM) ([11]; [12]). They are multivariate technique used to test hypothesis regarding the influences among interacting variables, but different concepts underlies these two methods. SEM approach assumes that neuronal dynamics are very fast in relation to signals uctuations and, hence, is based on a static neuronal model. This case, the neuronal activity has reached steady-state and changes in connectivity are led directly by changes in the covariance structure of the observed time series ([13]). On the other hand, in DCM the observed time series are modelled as a deterministic dynamical system in which external inputs causes changes in neural activity and therefore in connectivity values ([14]). Most approaches, like those based on Granger causality principles, have been examined in literature to quantify their ability in revealing cerebral connections ([15];[16]; [11]) but their simulation studies do not provide a comprehensive analysis because they use in silico data generated by self-referential linear methods which do not reproduce the complexity of brain. To overcome this issue, an innovative simulation approach has been developed in this work, based on a nonlinear neural mass model ([17]) totally independent of SEM and MVAR linear equation and able to address the complexity of neural networks. This no-self referential approach was exploited to generate in silico network data to be used as a benchmark, to quantitatively compare obtained results with true connections. The main objective of this work was to understand limits and advantages of MVAR indexes and SEM by exploiting the simulation study. Thus, it mainly serves as a proof-of-concept for connectivity measures under ideal conditions. Our purpose was to derive from simulation results some practical procedures in order to classify different brain states to support both cognitive research and clinical activity. First, research activity was focused to address connectivity on simulated data obtained on three regions networks characterized by different strength connections and based on different levels of non linearity. Second, a dataset, made available by Department of Medicine, University of Padova was used to explore application of these methods to real data by applying the simulation study suggestions. This thesis consists of three main section. The ffrst one includes Chapter 1-2-3 describing in detailed the considered connectivity measures, such are those based on Multivariate Autoregressive models and the Structural Equation Modelling, and the simulation study. The second part depicts in silico results and the application to EEG data. Finally, comments are reported in Discussion and Conclusions. Chapter 1 explains how the connecting parameters of MVAR and SEM models are identified on EEG data and describes procedures commonly exploited to analyse connectivity. Chapter 2 reports an overview about the principal models used to generate in silico data, namely the neural mass models, and described the neural mass model exploited in this work. Finally, it characterizes network models adopted to simulate data and lists the procedure followed to generate in silico datasets. Chapter 3 summarizes the computations implemented to have more insights on our data by analysing the output of each methods. It describes the procedure used to evaluate the statistical signiffcance of each index results, such are the F-test for Granger causality index and the null distribution threshold using surrogate data for MVAR frequency indexes. Chapter 4 illustrates the results obtained with the simulation study. First, we reported the complete analysis for a representative subset of experiments, then for all datasets we showed topology and strength estimates. Chapter 6 delineates the procedure followed to study the connectivity in case of hepatic encephalopathy. Chapter 7 covers the Discussion and Conclusions. The Appendix is a parallel work aimed to understand the meaning of connectivity indexes computed via Structural Equation Modelling. By exploiting the neural mass model used to simulate cortical data, the objective is to quantify which measure its estimates represent. We demonstrated that Granger causality is a good estimator with high values both of sensitivity and specificity, while frequency indexes, DTF and PDC, are too much affected by the threshold choice and their interpretation in terms of absolute strength connection is not clear. As regard SEM, we proved the difficulty of its approach to describe just simple situations. Even if SEM is based on linear regression as well as MVAR models, it differently assumes there is no connection with past information, as if brain connectivity could describe time series relationships by the instant we observe it. Hence, it is not sufficiently robust to characterize neuronal dynamic activity.
Negli ultimi decenni le varie tecniche e metodiche sviluppate per lo studio dell'attività cerebrale hanno dimostrato che le diverse regioni neuronali del cervello non operano in isolamento ma interagiscono tra loro formando una complessa rete di connessioni. Lo studio di queste relazioni/connessioni esistenti tra le diverse regioni corticali, tramite l'elaborazione sia di segnali elettrofisiologici, come l'EEG, sia di immagini, come l'fMRI, è generalmente denominato come studio della connettività. La definizione di connettività può essere classificata in tre principali categorie: anatomica, funzionale ed effettiva. La connettività anatomica e strettamente associata alla presenza di connessioni assoniche tra i vari neuroni; la connettività funzionale e definita come la correlazione temporale tra eventi neurofisiologici appartenenti a diverse regioni neuronali; la connettività effettiva è definita come l'influenza che una regione neuronale esercita attraverso una relazione causaeffetto su un'altra regione. In letteratura sono presenti due principali approcci per lo studio della connettività: l'uno di tipo esplorativo, basato esclusivamente sui dati da cui estrarre informazioni sia sulla topologia sia sulla forza; l'altro che prevede la conoscenza a priori di un modello di rete per ottenere informazioni circa l'intensità degli accoppiamenti. L'obiettivo di questa tesi si e focalizzato sulla validazione e implementazione di alcuni dei metodi pi u utilizzati: quelli basati sui modelli autoregressivi multivariati(MVAR), come la Directed Transfer Function (DTF), la Partial Directed Coherence (PDC), e sui principi della causalità di Granger e il metodo detto Structural Equation Modeling (SEM). Questi metodi sono ampiamente esaminati in letteratura per quantificare la loro capacità di rilevare le connessioni cerebrali, ma gli studi di simulazione proposti sono basati su modelli di generazione dei dati in silico che semplificano molto la reale complessità del cervello [15] e che si basano sui modelli autoregressivi stessi. Per superare questo problema e stata sviluppata una simulazione con un approccio innovativo basato sull'utilizzo di un Neural Mass Model[17]. L' obiettivo consiste nel generare dati simulati completamente indipendenti dalle equazioni lineari dei metodi che poi si vanno a testare e, al contempo, in grado di simulare la complessità delle reti neurali. Brevemente, la simulazione consiste delle seguenti fasi: - diversi set di dati in silico sono simulati utilizzando il modello neurale di massa con diversi modelli di topologia, livelli di non linearità e intensità di connessioni; - per ogni set dei suddetti parametri, 100 realizzazioni di segnali di 2 secondi vengono generati; - le reti stimate a partire dai parametri di connettività calcolati con i metodi considerati vengono confrontate con le reti vere. Per analizzare le prestazioni dell'indice di causalità di Granger e degli indici infrequenza Directed Transfer Function (DTF) e Partial Directed Coherence (PDC)sono state effettuate simulazioni Monte Carlo in modo da ottenere una statistica delle performance. Si è osservato che l'indice di Granger è il più affidabile con elevata percentuali di sensibilità e bassa frequenza di falsi positivi e negativi. Per analizzare la stima delle forze, sono stati confrontati i valori dei pesi imposti coni risultati degli indici dei metodi MVAR e le stime ottenute dal SEM mediante regressione lineare. Si e osservato che il SEM e il metodo meno affidabile, mentre i risultati ottenuti con gli indici MVAR presentano una buona correlazione lineare con i pesi veri. Anche in questo caso l'indice di Granger dà i migliori risultati correlando sempre con R > 0:99. I risultati hanno rivelato che l'indice di causalità di Granger è un accurato stimatore della topologia di rete in quanto si e dimostrato in accordo con le reti vere nella maggior parte degli esperimenti simulati, mentre DTF e PDC, oltre a presentare alcune imprecisioni, risultano più difficili da interpretare in termini di forze assolute. Questi risultati suggeriscono di utilizzare l'indice di causalità di Granger come strumento esplorativo per definire sia la topologia della rete sia l'intensità delle forze. Poi, le informazioni in frequenza provenienti dai diversi metodi (DTF, PDC) devono essere integrate per migliorare l'affidabilità dei risultati sulle intensità delle connessioni. L'obiettivo principale di questo studio di simulazione e quello di fornire una procedura robusta da usare per l'analisi della connettività del cervello umano, in grado di classificare i diversi stati del cervello in supporto sia della ricerca in ambito cognitivo e sia dell'attività clinica. L'analisi effettuata sui segnali EEG riportata e un esempio di applicazione a dati reali, in cui si esamina l'effetto dell'iperammonemia indotta da un carico amminoacidico su pazienti cirrotici e soggetti sani sulla riorganizzazione funzionale del segnale EEG (Dott. Amodio, Dipartimento di Medicina, Università degli Studidi Padova). Questa tesi si sviluppa in sei capitoli di seguito brevemente riassunti. Nel Capitolo 1 si definiscono sia i modelli multivariati autoregressivi e gli indici derivati per stimare la connettività in termini di causalità di Granger e nel dominio della frequenza, sia il metodo SEM. Nel Capitolo 2 si presenta il modello utilizzato perla generazione dei dati simulati analizzati in questa tesi e si descrivono le caratteristiche principali delle reti di simulazione considerate. Nel Capitolo 3 vengono descritti sia i metodi impiegati per la valutazione della significatività statistica dei vari stimatori sia la procedura per valutare l'accuratezza delle stime con il confronto sulle reti vere. Nel Capitolo 4 si presentano i principali risultati dello studio della connettività corticale ottenuti mostrando dapprima l'intera analisi su un sottoinsieme di simulazioni, poi sintetizzando i risultati su tutti i dataset. Nel Capitolo 5 viene presentata una possibile applicazione dei metodi prima esposti su un problema di tipo clinico, riguardante l'analisi di EEG su pazienti affetti da Encefalopatia epatica. Infine, nel Capitolo 6 si discutono i risultati presentati nel capitolo 5 evidenziando limiti e vantaggi dei vari metodi e il loro range di applicabilità in modo da visualizzare globalmente le loro prestazioni. L'Appendice riporta un lavoro parallelo eseguito per studiare il significato dei coefficienti di connettività stimati con il metodo SEM utilizzando le equazione del neural mass model descritto in precedenza.