Analisi e interpretazione di segnali di popolazioni neuronali in compiti di decisione motoria

INTRODUZIONE Lo studio dei segnali neuronali è uno strumento indispensabile per una comprensione approfondita dei meccanismi che sono alla base dei processi cognitivi e motori. In questo lavoro di tesi verranno affrontati i metodi, le tecniche e le basi statistico-matematiche per l’analisi di segnali neuronali registrati in soggetti animali durante l’esecuzione di compiti di decisione motoria. Per compito di decisione motoria si intende un esercizio in cui il soggetto deve eseguire il movimento di un arto o dei soli occhi nelle modalità indicate da precise istruzioni, fornite sotto forma di comandi. Lo studio dell’attività corticale nel contesto di compiti di decisione motoria è uno dei principali campi di ricerca in neurofisiologia. D’altro canto, lo studio, l’analisi, l’interpretazione e la formalizzazione teorica dei segnali associati all’attività neuronale costituiscono i cavalli di battaglia dei più recenti studi nell’ambito della fisica delle reti neurali. Nella tesi verranno presentati i fondamenti teorici e analitici utili per una caratterizzazione della dinamica delle cellule neuronali, sia come singole entità, sia come elementi di una popolazione; verranno poi illustrati alcuni dei principali lavori sperimentali, con i rispettivi risultati, in cui tali fondamenti trovano la loro naturale applicazione. Si inizierà, nel capitolo 1, con una descrizione preliminare dell’anatomia e dell’attività elettrica del neurone: si vedrà qual è la struttura della cellula, quali sono le afferenze che permettono le giunzioni tra cellule (dette sinapsi) e come le cellule comunicano tra loro mediante il potenziale d’azione (o spike); verranno poi trattate più in dettaglio le proprietà della membrana neuronale, verranno illustrati i principali canali di membrana e verrà spiegata la dinamica che è alla base della formazione dei potenziali di membrana (e del potenziale d’azione in particolare); a tale scopo verrà introdotta la descrizione fenomenologica dei processi di scambi ionici, mediati dai canali, proposta da Hodgkin e Huxley verso la metà del secolo scorso. Il maggior numero di neuroni è concentrato nella parte più esterna del cervello, la corteccia. Nel capitolo 2 verranno presentati i tratti generali dell’organizzazione corticale: si vedrà la composizione a strati della corteccia e la suddivisione in aree funzionali secondo le principali mappe topologiche. Si passerà successivamente da un piano descrittivo globale ad un piano descrittivo più ristretto incentrato sul sistema motorio, che è costituito dalla corteccia motoria e dalla corteccia premotoria: si mostrerà la geografia delle aree motorie e il sistema di comunicazione di input e output tra le diverse aree, alla base dell’espletamento delle funzioni motorie a cui tale sistema è preposto. Il capitolo 3 sarà dedicato alla descrizione dei vari segnali neuronali e delle principali tecniche di registrazione. Si distingueranno segnali generati da una singola cellula (attività di singola unità, SUA), segnali associati ad un piccolo numero di cellule (attività di multipla unità, MUA) e segnali 5