1) Studio modellistico del sistema cardiovascolare, respiratorio
e cerebrovascolare. I meccanismi di regolazione dei sistemi
cardiorespiratorio e cerebrovascolare e le loro interazioni vengono
analizzati mediante modelli matematici interpretativi.
2) Modelli a compartimenti. Vengono sviluppati modelli a
compartimenti in grado di descrivere la cinetica dei soluti e le
variazioni dei fluidi corporei durante dialisi renale, e la
rimozione di tossine durante dialisi epatica.
3) Reti neurali di funzioni sensoriali e cognitive. Vengono
sviluppate reti neurali per studiare i fenomeni di
integrazione fra diverse modalità sensoriali (visuo-acustica e
visuo-tattile) caratteristici di alcune aree cerebrali.
Vengono sviluppati modelli di oscillatori neurali, per investigare
i problemi della rappresentazione di oggetti, apprendimento e
memorizzazione, linguaggio, attenzione.
4) Tecniche avanzate di elaborazione dei segnali biomedici
(analisi tempo-scala, analisi alle componenti principali, analisi
alle componenti indipendenti) per estrazione di feature dai
segnali, rimozione di artefatti, separazione delle sorgenti.
1) I sistemi cardiorespiratario e cerebrovascolare sono
sottoposti a sofisticati meccanismi di regolazione che sono in
grado di mantenere entro stretti limiti i valori di pressione,
flusso sanguigno ai tessuti, ossigenazione, nonostante le
perturbazioni a cui sono soggetti quotidianamente. In letteratura i
meccanismi di controllo sono per lo più studiati separatamente e in
condizioni sperimentali assai differenti da quelli reali (ad
esempio in condizione di ventilazione artificiale). Manca ancora
una chiara comprensione del sistema nel suo complesso, delle
interazioni tra i diversi meccanismi coinvolti e del ruolo delle
singole componenti nell'integrazione complessiva. I modelli
sviluppati si propongono di migliorare la conoscenza della
regolazione cardiovascolare e respiratoria in diverse condizioni
fisio-patologiche: perturbazioni nella concentrazione dei gas
inspirati, anemia, alta quota, esercizio fisico, ipotensione,
ischemia cerebrale, ecc. I modelli proposti, oltre ad arricchire la
conoscenza fisiologica, possono trovare applicazione anche in
ambito educativo, costituendo il cuore di pacchetti software
didattici finalizzati alla formazione di staff tecnico e
medico.
2) Le complicazioni durante dialisi renale (come l'ipovolemia e
l'ipotensione) costituiscono un importante problema clinico. Lo
sviluppo di modelli della cinetica dei soluti e dei fluidi corporei
durante dialisi renale ha importanti implicazioni cliniche. Essi
possono essere utilizzati: i) in modalità predittiva, per predire
la rimozione di soluti e la variazione di volume ematico durante la
seduta a partire dallo stato iniziale del paziente, prevedendo così
possibili fasi critiche per il soggetto; ii) in modalità
progettuale, per impostare razionalmente la composizione del fluido
di dialisi, allo scopo di raggiungere gli obiettivi di fine dialisi
minimizzando i rischi intradialitici.
La metodica MARS (Molecular Adsorbent Recirculating System) è un
trattamento clinicamente efficace per la sostituzione temporanea
della funzionalità epatica. Essa viene applicata ai pazienti con
insufficienza epatica acuta o cronica, finché non viene recuperata
la naturale funzionalità epatica o come trattamento ponte in attesa
di trapianto. Manca però una descrizione quantitativa delle
sue capacità depurative; ciò impedisce il pieno sfruttamento delle
potenzialità terapeutiche e la pianificazione del trattamento sulla
base dello stato clinico del paziente. La ricerca in atto si
propone di sviluppare modelli in grado di predire la rimozione di
tossine durante seduta MARS e di fornire un'interpretazione dei
meccanismi depurativi, individuando i loro diversi ruoli e tempi di
intervento.
3) Neuroni in grado di rispondere a stimoli di diversa modalità
sensoriale (visivi, uditivi, tattili) sono stati individuati in
diverse regioni cerebrali. Tale integrazione sembra svolgere un
ruolo fondamentale sia nell'orientare il comportamento (ad es.
lo sguardo e i movimenti) sulla base delle informazioni provenienti
dall' ambiente, sia nel determinare una percezione unitaria e
coerente del mondo esterno. Tuttavia, il funzionamento di tali reti
neurali è tuttora poco chiaro. La ricerca si propone di sviluppare
reti neurali in grado di spiegare i risultati della letteratura
neurofisiologica, e i principali test psicofisici relativi
all'integrazione multisensoriale, per giungere ad una più profonda
comprensione dei meccanismi neurali sottostanti. Inoltre, i modelli
sviluppati possono essere utili per investigare come le proprietà
di integrazione multisensoriale possano essere modificate
dall'esperienza e dall'addestramento.
Molte funzioni cognitive sono realizzate attraverso
l'attivazione parallela di larghe popolazioni di neuroni,
distribuite in molteplici e separate aree corticali. E' quindi
fondamentale comprendere i meccanismi alla base del legame
funzionale tra questa attività distribuita. Una ipotesi oggi molto
accreditata sostiene che tale legame avvenga tramite
sincronizzazione dell'attività neurale oscillatoria (specialmente
in banda gamma 30-100 Hz), che dinamicamente collega i neuroni in
“functional webs”. Attraverso lo sviluppo di modelli di oscillatori
neurali, basati su meccanismi fisiologicamente attendibili, è
possibile comprendere i meccanismi di sincronizzazione e
desincronizzazione che si instaurano durante diversi processi
cognitivi quali riconoscimento di oggetti, memoria, apprendimento,
linguaggio.
4) L'interpretazione dei segnali biomedici e l'estrazione di
informazioni da essi è di estrema complessità, sia a causa
della presenza di disturbi e rumore che contaminano il
segnale di interesse, sia a causa delle molteplici componenti che
contibuiscono a dare origine al segnale. Tecniche avanzate di
elaborazione dei segnali (quali, la trasformata wavelet discreta,
l'analisi alle componenti principali, l'analisi alle componenti
indipendenti) vengono applicate a segnali biomedici acquisiti in
diverse condizioni, per la rimozione di arfetatti e disturbi,
l'estrazione di eventi specifici dal segnale, la ricostruzione
delle sorgenti. In particolare, queste tecniche sono state
applicate i) all'elettroencefalogramma (EEG) acquisito in
pazienti epilettici, per ottenere indicazioni circa la complessa
dinamica spazio-temporale della crisi; ii) a segnali, quali l'EEG e
l' elettro-oculogramma (EOG), acquisiti mediante registrazioni
poligrafiche, allo scopo di individuare eventi specifici durante le
varie fasi del sonno e delle veglia ed analizzare le loro
reciproche relazioni.
