DINAMICA NEURONALE IN RETI BIDIMENSIONALI IN VITRO DI NEURONI
CORTICALI
M. Bove*, M. Giugliano* e M. Grattarola*, A. Kawanao, Y. Jimboo, E. Maedao, H. P. C.
Robinson∧
*
Gruppo di Bioelettronica e Neurobioingegneria, Dipartimento di Ingegneria Biofisica ed Elettronica, Università
di Genova, Via Opera Pia 11a, I-1645, Genova oNTT Basic Research Laboratories, Atsugi-shi, 243-01, Japan
∧
Physiological Laboratory, University of Cambridge, Cambridge CB2 3EG, U.K.
Matrici di microelettrodi opportunamente trattate in modo da costituire il substrato di adesione e crescita
cellulare sono la base per lo sviluppo di una tecnica che permette la stimolazione ed il rilevamento delle
proprietà elettrofisiologiche di una coltura in vitro di neuroni in modo non invasivo, multisito e di lunga durata
temporale (Gross, IEEE Trans. on BME 26:273-279, 1979; Jimbo & Kawana Bioelectrochem. and Bioen.,
29:193-204, 1992).
Negli esperimenti che utilizzano questa tecnica, i neuroni, in particolare quelli estratti da embrioni, sono in
condizioni vitali e manifestano una continua variazione nello sviluppo dell’arborizzazione neuritica, nella
sinaptogenesi e nella maturazione sinaptica.
Nel presente lavoro si mostra come un modello matematico di una rete bidimensionale, costituito dalla
connessione funzionale locale di neuroni a singolo compartimento descritti da un’estensione del modello di
Hodgkin e Huxley (Hodgkin & Huxley, J. Physiol. 117:500, 1952; Yamada et al., in Methods in Neuronal
Modelling: From Synapses to Networks, 1989), sia in grado di approssimare una rete nervosa bidimensionale
eccitabile, proposta in letteratura per interpretare risultati sperimentali (Maeda et al., J. Neurosci. 15:6834-6845,
1995), nei quali l’attività elettrica sincrona ha carattere rapido e locale, la cui propagazione spaziale ha proprietà
di direzionalità.
Si può ipotizzare che l’attività elettrica emergente spontaneamente dalla rete sia il risultato del rilascio
spontaneo di molecole di neurotrasmettitore. Essa è pertanto efficacemente descrivibile matematicamente dallo
stesso schema cinetico chimico del primo ordine (Destexhe et al., J. Comp. Neurosci. 1:195-230, 1994)
impiegato per la dinamica postsinaptica dei recettori ionotropici a seguito di un potenziale d’azione presinaptico.
In questo modo, la generazione di attività bursting asincrona e la transizione verso stati dinamici ad elevata
sincronizzazione, emerge spontaneamente quale risultato di un’attivazione presinaptica e non da proprietà
endogene del singolo neurone.
I risultati delle simulazioni al calcolatore del modello proposto verranno utilizzati per fornire un’
interpretazione quantitativa dei dati sperimentali riportati in letteratura (Maeda et al., J. Neurosci. 15:6834-6845,
1995; Kamioka et al., Neurosci. Let. 206:109-112, 1996; Canepari et al., Biol. Cyb. 77:153-162, 1997).
Ringraziamento
Lavoro svolto grazie al contributo dell’Università di Genova.
