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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
2
COMPUTATIONAL
SCIENCESNANOMATERIALS LIFETECH*ROBOTICS
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
4
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
5
Attività cerebrale abnorme, sincrona ed improvvisa
Crisi epilettiche spontanee ricorrenti
Sintomi sensoriali e/o motori
U-Penn & Mayo Clinic
Epilessia e modelli in vitro
6
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
7
Epilessia del Lobo Temporale(Temporal Lobe Epilepsy – TLE)
Neurochirurgia
Deep-Brain Stimulation (DBS)
Farmaci anti-epilettici
QUALI INTERVENTI TERAPEUTICI?
EPILESSIA E MODELLI IN VITRO
8
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
9
Il loop ippocampale
Modelli in vitro di TLE
sano TLE
Epilessia e modelli in vitro
10
Modelli in vitro di TLE
Epilessia e modelli in vitro
11
Registrazione di attività epilettica con matrici di microelettrodi (MEA)
12
Registrazione di attività epilettica con matrici di microelettrodi (MEA)
13
Razionale sperimentale
Controllo dell’attività epilettica in vitro
14
Strategia sperimentale
Controllo dell’attività epilettica in vitro
SIMULAZIONE DEL PATTERN
Neuromodulazione open-loop
RICONNESSIONE FUNZIONALE
Neuromodulazione closed-loop
struttura target
15
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
16
Mappatura degli elettrodi rispetto alle regioni d’interesse (ROI)
Controllo dell’attività epilettica in vitro
17
Mappatura degli elettrodi rispetto alle regioni d’interesse (ROI)
Controllo dell’attività epilettica in vitro
18
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
19
Controllo dell’attività epilettica in vitro
Conversione dei dati in formato *.mat
20
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
21
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
imlineimrect
22
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
23
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali distribuzione eventi
24
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
1 1
1
25
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
Esportazione serie di
pulsi in ASCII file
STIM.txt
26
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
27
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(1) OPEN-LOOP emulazione di pattern neuronali
28
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte UNIDIREZIONALE Ponte BIDIREZIONALE
Simulink environment
29
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte UNIDIREZIONALE
30
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte UNIDIREZIONALE
31
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
BRIDGE
CTX1
CTX2
CA3
Ponte UNIDIREZIONALE
32
Ponte BIDIREZIONALE
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
custom PCB
33
Controllo dell’attività epilettica in vitro
(2) CLOSED-LOOP ponti elettronici
Ponte BIDIREZIONALE
34
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...
36
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
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