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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)

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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

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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

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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...

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