Segnali, chemiotassi e bioimmagini di strutture cellulari

Sommario:- Neurogenesi e guida assonale- Reti neuronali del cervelletto- Vasculogenesi 3D- Trasduzione dei segnali biochimici nelle piastrine- Diffusion Tensor Imaging

Neurogenesi e guida assonale nello sviluppo neurale

G. Aletti (UniMI), P. Causin (UniMI),

M. Gozzo (UniMI), G. Merlo (Telethon),

G. Naldi (UniMI), A. Puche (University

Maryland), A. Zaghetto (Telethon, UniMI)

Neurogenesi: una questione di … nasoNeurogenesi: una questione di … naso

Recently, we are studying cellular and molecular mechanisms leading to the formation of functional neuronal networks in mammals. Formation of networks takes place during braindevelopment where several cell and molecular mechanisms operate in a coordinated way to control successive steps identified as neurogenesis, cell migration, neural differentiation and neuronal connectivity. In the adult brain, these events are still occurring in precise areas orreactivated under pathological circumstances

Un problema biologico: lo sviluppo del bulbo olfattivo

Each primary olfactory neuron stochastically expresses one of ~1000 odorant receptors.The total population of these neurons therefore consists of ~1,000 distinct subpopulations, each of which are mosaically dispersed throughout one of four semi-annular zones in the nasal cavity. The axons of these different subpopulations are initially intermingled within the olfactory nerve. However, upon reaching the olfactory bulb, they sort out and converge so that axons expressing the same odorant receptor typically target one or two glomeruli.

Neurogenesi e guida assonale nello sviluppo neurale

Sviluppo del sistema olfattivo ovvero …. questione di naso.

Utilizzo di modelli computazionali per studiare la morfogenesi neurale

del sistema olfattivo: come avviene il processo e l’organizzazione di

questo sistema? Abbiamo varie scale: molecolare, cellulare, funzionale.

from J.A. St John et al., Int. J. Dev. Biol. 46: 639-647 (2002)

from A. Puche (Univ. Maryland)

c

xccDt

c

),(

diffusione

sorgente

degradazione

La diffusione di un fattore chemotatticosi considera stazionaria

Con quali dati realiconfrontarci?

Reti neuronali del cervelletto

Egidio D'Angelo (UniPV e INFM),

Shyam Diwakar (UniMI)

Giovanni Naldi (UniMI)

Sergio Solinas (UniPV e INFM),

Ci siamo interessati del cervelletto, dati sperimentali relativi (in particolare) alla cellula granulare

The CerebellumThe Cerebellum Principles of Neural Science, Kandel et al., 4th Ed., 2000

Granular layer

Purkinje layer

Problema: sistema di equazioni di diffusione con dinamica non linearedei canali ionici e con opportune condizioni al bordo (di raccordo) trai vari segmenti del neurone (nel caso di solo comportamento passivosi ha un’equazione di diffusione lineare).Si può dimostrare un Teorema di esistenza ed unicità. Nel caso di più neuroni ho un sistema di equazioni definite su un grafo.

Nel caso di cellula granulare, molto compatta, si può pensare solo adun sistema di equazioni differenziali ordinarie: concentriamo il modellonel soma.

Studio numerico dei punti di equilibrio e della loro stabilità,analisi delle biforcazioni, studio nello spazio delle fasi dei fenomenioscillatori.

Linguaggio dei sistemi dinamici

Glomeruli

Granule cells

Parallel fibers

Mossy fibers

InputsInputs

Granule cell

Parallel fiber

Golgi axoninhibitory

CerebellarNucleus

Outputs

Inferiorolive

TrainingSignal

Golgi cell

Purkinje cell

Mossy fibers@ Copyright Coenen, 2002

Multi-Electrode Array

Multi-Electrode Arrays (MEA) is being used to study the spatial distribution of signals into the cerebellum granular layer in acute slices. MEA consists of 60 conical platinum electrodes covered with glass and isolating material.

  MEA is used either to record or to stimulate slices, allowing the possibility of studying numerous aspects of the spatio-temporal dynamics of signals processing. The application of protocols to induce Long-term synaptic plasticity or the perfusion of specific receptors blockers allows to describe the spatial reconfiguration of signals, after which it is regulated by complex molecular mechanisms that cannot be analyzed by this technique.

                                          

                                      

Nel prossimo futuro …

Vasculogenesi 3DExperimental data

Dentro la cellula: come si trasduceil segnale chemiotattico?

Vasculogenesi 3D

Collaborazione:

UniMI (Giovanni Naldi, Matteo Semplice, Fausto Cavalli)

PoliTO (Andrea Gamba)

l'Istituto per la Ricerca e la Cura del Cancro (IRCC) di Candiolo (Guido Serini)

Trasduzione dei segnali biochimi nelle piastrine

La trombina attiva le piastrine tramite interazione con tre distinti recettori: PAR-1, PAR-4 ed il complesso glicoproteico (GP) Ib-IX-V.

Collaborazione con gruppo del Prof. E. Di Benedetto (Vanderbilt University )

Diffusion Tensor Imaging (DTI)

Tecnica MR di imaging nella quale il contrasto è ottenuto dalla differente diffusione di molecole diacqua

La DTI è utilizzata per identificare e generare mappe delle fibre di materia bianca nel cervello

Giovanni Frisoni, Cristina Testa

UniMI: Giovanni Naldi, Donatella Giuliani

DTI – Color-coding Based on Direction of Greatest Diffusion

Red = Left-Right

Green = Anterior-Posterior

Blue = Superior-Inferior

Trattografia di fibre: una nuova omica, la connectomica

Lazar et al., 2003Problema: integrare immagini DTI con

immagini in altri formati (PET, NMR, …).

Problema: integrare immagini DTI con immagini in altri formati (PET, NMR, …).