Biotechnology for Neuroscience

Il modulo si propone di trattare in dettaglio le basi cellulari del funzionamento e dello sviluppo e del sistema nervoso centrale, riguardo sia alla componente neuronale che alle diverse popolazioni di cellule gliali. Particolare attenzione verrà dedicata ai meccanismi che governano i processi cellulari caratteristici dei neuroni e della glia, con specifico riguardo all’organizzazione strutturale della comunicazione sinaptica. Inoltre, il modulo si propone di trattare in profondità i metodi cellulari e i principali modelli animali per lo studio e la modellizzazione del sistema nervoso, in condizioni normali e patologiche.

Obiettivi specifici del modulo saranno:

- Guidare lo studente alla comprensione della complessità molecolare delle cellule neuronali, astrocitarie e oligodendrocitarie, con particolare attenzione ai programmi di espressione genica e di controllo epigenetico.

- Analizzare i meccanismi che legano i sistemi di trasduzione del segnale alla modulazione dinamica dell’espressione genica e il loro ruolo biologico.

- Analizzare il ruolo dei condensati molecolari di proteine ed RNA e dei meccanismi struturali di organizzazione locale nei neuroni e nelle cellule gliali, in relazione al differenziamento neuronale e alla funzionalità sinaptica.

- Analizzare i principali approcci di analisi molecolare e di ricerca di biomarcatori, sia a livello generale che di singole cellule, mediante l’integrazione di tecnologie sperimentali e computazionali.

- Descrivere le principali strategie per l’ingegnerizzazione genetica, il genome editing e la modificazione del metabolismo degli RNA, sia a scopo di studio che nella prospettiva  di applicazioni terapeutiche.

- Guidare lo studente alla comprensione dei vantaggi e dei limiti dei diversi approcci sperimentali, attraverso esempi dalla recente letteratura.

- Guidare lo studente allo studio delle basi molecolari di alcune patologie del sistema nervoso, sia congenite che acquisite.

- Guidare lo studente alla comprensione della complessità delle cellule neuronali, astrocitarie e oligodendrocitarie, con particolare attenzione alle componenti molecolari più specifiche e alla loro dinamica.

- Analizzare il ruolo e i meccanismi della migrazione neuronale nello sviluppo normale e patologico, esaminando le principali vie di segnalazione e trasduzione del segnale, nonché i processi di rimaneggiamento del citoscheletro e del traffico di membrana rilevanti per la axon guidance e il differenziamento.

- Analizzare il ruolo delle interazioni proteina::proteina, delle molecole scaffold e chaperons, e della stabilità/degradazione proteica, con speciale attenzione per quelle coinvolte nell’organizzazione della trasmissione sinaptica.

- Analizzare i principali approcci sperimentali delle neuroscienze a livello cellulare e tissutale, con particolare riguardo alle colture in vitro, ex vivo o combinate, mediante strategie 2D e 3D (organoidi). 

- Descrivere le principali strategie per la realizzazione di modelli animali, finalizzati allo studio dello sviluppo normale del sistema nervoso o alla comprensione delle sue patologie.

- Guidare lo studente alla comprensione dei vantaggi e dei limiti dei diversi approcci sperimentali, attraverso esempi dalla recente letteratura.

- Guidare lo studente allo studio delle basi molecolari di alcune patologie del sistema nervoso, sia congenite che acquisite.

• Riepilogo dello sviluppo embrionale del CNS, induzione, patterning, neurogenesi, axon guidance, differenziamento.
• Meccanismi e significato della proliferazione e della migrazione neuronale, nello sviluppo normale e patologico del sistema nervoso.
• Il citoscheletro neuronale e il suo ruolo nel programma di differenziamento
• Segnalazione e vie di trasduzione durante la axon guidance e il differenziamento neuronale.
• Segnalazione neurotrofica
• Differenziamento Astrocitario e Oligoendrocitario.
• Organizzazione della via secretoria nei neuroni
• Il trasporto assonale e dendritico
• Organizzazione strutturale delle sinapsi e cambiamenti associati all’attività: lo studio del sinaptosoma.
• Le interazioni proteina::proteina, le molecole scaffold e chaperons, e la stabilità/degradazione proteica.
• Modelli sperimentali in vitro e strategie di indagine semplici
• Metodi sperimentali ex vivo e sperimentazioni combinate in vitro-ex vivo-in vivo
• Colture 3D e organoidi e prospettive in medicina riparativa
• Utilizzo moderno del “marcatore”. Risoluzione spaziale, temporale e del tipo cellulare
• Pathway ed enhancer reporters.
• Sperimentazioni combinate con uso di Virus
• Basi cellulari di alcune patologie del sistema nervoso, sia congenite che acquisite. Modelli animali per studiarle
• Uso di modelli animali per lo studio dei difetti di sviluppo e delle patologie sistema nervoso centrale

Si prevedono lezioni frontali, con proiezione di diapositive, privilegiando la comprensione e l’analisi di esempi e lasciando le parti più nozionistiche allo studio personale.  Le lezioni frontali utilizzeranno frequenti interazioni con gli studenti e saranno intervallate da attività che gli studenti possono sviluppare autonomamente, individualmente o in piccoli gruppi (2-3 studenti), per poi proseguire in aula, secondo il metodo delle “classi invertite”. Si prevede inoltre l’utilizzo del metodo della “valutazione tra pari”, chiedendo di valutare e criticare il lavoro di altri studenti.

Le attività didattiche saranno finalizzate ad abituare gli studenti a collegare i diversi argomenti, strutturare ipotesi, elaborare strategie sperimentali e individuare potenziali problemi.

Si prevede inoltre lo svolgimento di attività seminariali per indirizzare lo studente verso la valutazione della forma-esposizione-contenuto di un lavoro scientifico (relazione, o articolo, o progetto), proprio o di un pari grado.

Le attività didattiche saranno anche finalizzate all’acquisizione di ‘soft skills’, con particolare riguardo allo sviluppo di esperienze di problem-solving operativo; al miglioramento delle capacità di esposizione, non solo nel contenuto ma anche nella struttura, forma, ed efficacia; alla valutazione della forma e del contenuto di un proprio lavoro (relazione-progetto-articolo) o di un lavoro di un pari-grado.

Nel caso fosse necessaria l'erogazione online, le lezioni verranno trasmesse in streaming nella room Webex dei docenti:

Prof. Paola Defilippi, https://unito.webex.com/meet/paola.defilippi

Prof. Giorgio Merlo, https://unito.webex.com/meet/giorgio.merlo

Per il modulo di Neurobiologia Cellulare l'esame sarà scritto e sarà per il 50% basato su domande a risposta multipla e brevi domande aperte, per il 50% basato sullo sviluppo di una strategia sperimentale a partire da un Abstract scientifico, tratto dalla letteratura recente.  In classe verrà effettuata una esercitazione in questa direzione

I quesiti saranno non solo adatti a valutare le conoscenze acquisite, ma anche le competenze derivanti dal lavoro analitico svolto durante il corso.  La valutazione si baserà su 1) completezza 2) capacità analitica e rigore scientifico 3) proprietà di termini 4) originalità.

Materiali didattici, materiali aggiuntivi per ulteriori approfondimenti (siti web, articoli, video clips) e esercizi di autovalutazione saranno resi disponibili sulla piattaforma Moodle.