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Controllo open-loop e closed-loop
di attività epilettica in vitro
attraverso matrici di microelettrodi
Gabriella Panuccio, MD, PhD
Researcher
Istituto Italiano di Tecnologia
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2
COMPUTATIONAL
SCIENCESNANOMATERIALS LIFETECH*ROBOTICS
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3
Neuroningegneria
Neuroprotesi
LIFETECH*
NINE labNeural Interfaces and NEurorehabilitation
Neurofarmacologia
Elettrofisiologia di reti neuronali
in vitro: colture neuronali
ex vivo: tessuto cerebrale
Neurofisiopatologia
epilessia ictus
in vivo: EEG
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Outline
▪ Epilessia, modelli in vitro e razionale sperimentale
▪ Registrazione di attività epilettica in vitro con matrici di microelettrodi (MEA)
▪ Controllo dell’attività epilettica in vitro (1): OPEN-LOOP
▪ Controllo dell’attività epilettica in vitro (2): CLOSED-LOOP
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Attività cerebrale abnorme, sincrona ed improvvisa
Crisi epilettiche spontanee ricorrenti
Sintomi sensoriali e/o motori
U-Penn & Mayo Clinic
Epilessia e modelli in vitro
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global population
1-2%
epileptic populationTLE
drug
resistant
TLE patients
Epilessia del Lobo Temporale(Temporal Lobe Epilepsy – TLE)
Epilessia e modelli in vitro
IL MECCANISMO ESATTO AD OGGI È SCONOSCIUTO
Insulto epilettogenico
periodo latente (anni...)
TLE cronicain
età adultaHallmark:
hippocampal sclerosis
IPPOCAMPO KEY PLAYER
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Epilessia del Lobo Temporale(Temporal Lobe Epilepsy – TLE)
Neurochirurgia
Deep-Brain Stimulation (DBS)
Farmaci anti-epilettici
QUALI INTERVENTI TERAPEUTICI?
EPILESSIA E MODELLI IN VITRO
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Modelli in vitro di TLE
Tessuto nervoso (fettina)▪ strutture anatomiche & circuiti neuronali fondamentali
Trattamento farmacologico & disconnessione anatomica▪ aumento di attività neuronale
▪ ipereccitabilità
Registrazioni elettrofisiologiche▪ potenziali di campo (attività di network)
▪ pattern elettrico simile ad EEG di paziente TLE
Epilessia e modelli in vitro
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Il loop ippocampale
Modelli in vitro di TLE
sano TLE
Epilessia e modelli in vitro
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Modelli in vitro di TLE
Epilessia e modelli in vitro
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Registrazione di attività epilettica con matrici di microelettrodi (MEA)
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Registrazione di attività epilettica con matrici di microelettrodi (MEA)
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Razionale sperimentale
Controllo dell’attività epilettica in vitro
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Strategia sperimentale
Controllo dell’attività epilettica in vitro
SIMULAZIONE DEL PATTERN
Neuromodulazione open-loop
RICONNESSIONE FUNZIONALE
Neuromodulazione closed-loop
struttura target
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
Mappatura elettrodi
regioni d’interesse (ROI)
Conversione dati formato *.mat
Selezione elettrodi feedback
Distribuzione eventi
Stimolazione OPEN-LOOP
Distribuzione surrogata (STIM)
Selezione elettrodi stimolanti
Stimolazione CLOSED-LOOP
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Mappatura degli elettrodi rispetto alle regioni d’interesse (ROI)
Controllo dell’attività epilettica in vitro
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Mappatura degli elettrodi rispetto alle regioni d’interesse (ROI)
Controllo dell’attività epilettica in vitro
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Mappatura degli elettrodi rispetto alle regioni d’interesse (ROI)
Controllo dell’attività epilettica in vitro
Selezione
elettrodo/i
42
52
Selezione:
▪ tipo sezione
▪ ROI42 52
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
Conversione dei dati in formato *.mat
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
imlineimrect
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
1 1
1
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
Esportazione serie di
pulsi in ASCII file
STIM.txt
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte UNIDIREZIONALE Ponte BIDIREZIONALE
Simulink environment
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte UNIDIREZIONALE
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte UNIDIREZIONALE
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
BRIDGE
CTX1
CTX2
CA3
Ponte UNIDIREZIONALE
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Ponte BIDIREZIONALE
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
custom PCB
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte BIDIREZIONALE
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte BIDIREZIONALE
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte BIDIREZIONALE
work in progress...
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Controllo dell’attività epilettica in vitro
RINGRAZIAMENTI
Dr. MichelaChiappalone
IlariaColombi
StefanoBuccelli
Funded by MSCA-IF-2014 under theEU framework program Horizon 2020Grant Agreement n. 660689
www.rebus-project.eu