INDICE
Introduzione………... 1
Capitolo1: Sistema nervoso: aspetti anatomici, morfologia neuronale e connettività sinaptica……… 8
1.1 Introduzione..………….……...………...…....….. 8
1.2 Organizzazione del sistema nervoso………. 9
1.2.1 Il mesencefalo……….. 11
1.2.1.1 Organizzazione morfologica………. 12
1.2.1.2 Funzioni ...……... 13
1.2.2 Il cervelletto...…. 14
1.2.2.1 Organizzazione morfologica………. 15
1.2.2.2 Funzioni………. 16
1.3 Il neurone……….. 18
1.3.1 Anatomia microscopica del neurone………... 19
1.3.2 Morfologia dei neuroni……… 22
1.3.3 Comunicazione tra neuroni: la sinapsi……… 26
1.4 Connettività cerebrale………... 28
1.5 Relazione tra morfologia neuronale e connettività sinaptica……… 32
1.6 Sviluppo del sistema nervoso………... 34
Capitolo 2: Approccio neuroscientifico alla diagnosi e al trattamento del disturbo autistico……… 37
2.1 Introduzione...……… 37
2.2 Quadro generale sull’autismo………... 38
2.2.1 Che cos’è l’autismo………... 38
2.2.2 Le cause...……….. 39
2.2.3 I sintomi………... 41
2.2.4 La diagnosi……….. 43
2.2.5 Il trattamento………... 44
2.3 Aspetti cognitivi e neuropsicologici...…. 46
2.4 Studi neurobiologici sull’autismo...…...…. 48
2.4.1 Neuropatologia e imaging cerebrale... 49
2.4.2 Neuroimaging funzionale...………... 55
2.4.3 Neurochimica e neuroimmunologia...… 59
2.4.4 Teoria del paesaggio saliente………... 61
2.4.5 Modelli animali………... 63
2.4.5.1 Modelli dello sviluppo neuronale……….. 63
2.4.5.2 Modelli del comportamento……….. 65
2.4.6 Il supporto della tecnologia………. 66
2.4.7 Nuove prospettive di diagnosi e terapia……….. 69
Capitolo 3: Tecniche sperimentali……… 73
3.1 Introduzione………...………... 73
3.2 Tipi di neuroni utilizzati……... 74
3.3 Cellule primarie in coltura... 75
3.4 Neuroni primari in coltura……... 78
3.5 Colture di cellule mesencefaliche...… 80
3.5.1 Preparazione delle colture………... 80
3.5.2 Risposta dei neuroni mesencefalici in coltura………. 81
3.6 Colture di cellule di Purkinje……… 86
II
3.6.1 Preparazione delle colture………... 86
3.6.2 Risposta delle cellule di Purkinje in coltura……… 89
3.7 Colorazione delle cellule……….. 92
3.7.1 Immunocitochimica………. 93
3.7.1.1 La tecnica dell’immunocitochimica……….. 93
3.7.1.2 La tecnica applicata alle cellule di Purkinje……….. 95
3.7.2 Fluorescenza……… 98
3.7.2.1 La colorazione in fluorescenza……….. 98
3.7.2.2 La tecnica applicata alle cellule mesencefaliche…... 100
3.8 Tecnica di realizzazione delle fotografie alle cellule………... 103
3.8.1 La strumentazione………... 104
3.8.2 Le fotografie……… 107
3.8.3 Preparazione delle griglie……… 108
3.8.3.1 CorelDraw………. 109
3.8.3.2 Realizzazione delle griglie……… 110
Capitolo 4: Tecniche software………... 112
4.1 Introduzione...….. 112
4.2 Grafical User Interface (GUI)………...……. 115
4.3 Analisi delle cellule di Purkinje……... 117
4.3.1 Elaborazione delle immagini... 117
4.3.2 Implementazione della GUI……… 121
4.3.2.1 Caricamento dell’immagine……….. 122
4.3.2.2 Analisi di Sholl……….. 123
4.3.2.3 Percorso minimo, vettori delle lunghezze minime ed angoli tra i vettori……… 127
4.3.2.4 Estensione radiale della cellula...……… 129
III
4.3.2.5 Dimensione del soma del soma………. 130
4.3.2.6 Area del cono in cui è racchiusa la cellula………… 131
4.3.2.7 Dimensione frattale………... 132
4.3.2.8 Memorizzazione dei dati………... 134
4.3.3 La 3-way PCA (Analisi delle Componenti Principali)…… 135
4.3.3.1 Analisi delle Componenti Principali (PCA)……….. 136
4.3.3.2 Il modello Tucker 3………... 138
4.4 Analisi delle reti di neuroni mesencefalici………... 144
4.4.1 Organizzazione degli algoritmi nella GUI……….. 144
4.4.1.1 Caricamento dell’immagine……….. 144
4.4.1.2 Individuazione dei nodi………. 145
4.4.1.3 Analisi della raggiungibilità……….. 146
4.4.1.4 Costruzione del grafo e analisi della connettività…. 150 4.4.1.5 Lunghezze del cammino………... 151
4.4.1.6 Studio delle distanze………. 151
4.4.1.7 Coefficiente di clustering……….. 152
4.4.1.8 Test small-world……… 153
4.4.1.9 Memorizzazione dei dati………... 154
4.4.2 Analisi delle immagini in fluorescenza………... 155
4.4.2.1 Elaborazione delle immagini……… 155
4.4.2.2 Analisi frattale……….. 159
4.4.2.3 Analisi di clustering……….. 159
Capitolo 5: Risultati 164 5.1 Introduzione………... 164
5.2 Valutazione delle dimensioni neuronali... 166
5.3 Costruzione dei data-matrix... 167
IV
5.4 Analisi della morfologia: estrazione di variabili e costruzione
di grafici……… 169
5.4.1 Osservazioni statiche………...…. 170
5.4.2 Osservazioni dinamiche………... 196
5.5 Analisi della morfologia: 3-way PCA……….. 211
5.5.1 Costruzione del data-matix………. 211
5.5.2 Analisi dei grafici……… 213
5.6 Analisi della topologia e dell’organizzazione……….. 225
5.6.1 Riepilogo dei risultati ottenuti sulla dinamica di formazione delle reti……… 225
5.6.2 Analisi di clustering delle reti……….. 227
5.6.3 Analisi frattale delle reti……….. 233
Conclusioni………. 237
Appendice A: La frattalità……… 247
Introduzione...………... 247
I frattali………... 248
Dimensione frattale………...…... 250
Metodi per determinare la dimensione frattale... 255
I frattali in fisiologia...………... 257
L’analisi frattale dei neuroni... 258
Appendice B: Algoritmi in Matlab………... 260
Algoritmi implementati nelle GUI per l’estraazione delle variabili dalle immagini delle cellule di Purkinje...……... 260 Costruzione del data-matrix globale relativo alle cellule di Purkinje 299
V
Estrazione delle variabili o funzioni di interesse dal data-matrix globale relativo alle cellule di Purkinje……….. 299 Algoritmi organizzati nella GUI per l’estrazione delle variabili dalle immagini delle reti di neuroni mesencefalici………. 311 Costruzione del data-matrix globale relativo alle reti di neuroni mesencefalici………... 324 Estrazione delle variabili o funzioni di interesse dal data-matrix globale relativo alle reti di neuroni mesencefalici……….. 324 Analisi delle immagini in fluorescenza delle reti di neuroni
mesencefalici………... 328
Bibliografia ... 331
Ringraziamenti………... 343
VI
