• Lines Berdondini Silicon Tip © 2016 IIT 5014
  • 4958 © 2016 IIT 5017
  • CMOS MEA NetS3 Ok 3982 749x388 © 2016 IIT 5019
  • 4957 © 2016 IIT 5016

Il cervello è il sistema biologico più complesso esistente in natura le cui funzionalità emergono dalla cooperazione di miliardi di singoli neuroni comunicanti fra loro attraverso segnali chimico/fisici; questi segnali coinvolgono un ampio intervallo di scale temporali e spaziali, dal molecolare al cellulare, sino ad interi circuiti cerebrali, attraverso processi che possono durare meno di un millisecondo (spikes) fino a giorni (ritmi circadiani).

Le neurotecnologie odierne non permettono di osservare tali segnali in dettaglio per decine di migliaia di neuroni simultaneamente, limitando perciò la comprensione di come grandi reti di neuroni operino e di come esse siano organizzate funzionalmente a livello cellulare. Ciò rappresenta un limite di misura che non permette di investigare efficacemente i processi alla base delle malattie neurodegenerative e impedisce lo sviluppo di neurotecnologie efficaci in campi come la neuroprostetica clinica o lo screening farmaceutico e tossicologico.  

Per poter affrontare queste sfide, il laboratorio NetS3 conduce una ricerca interdisciplinare, dove ricercatori nei campi delle neuroscienze, ingegneria, biofisica e computazione lavorano in sinergia per sviluppare ed utilizzare in modo sperimentale piattaforme che integrano nuove generazioni di biosensori realizzati con tecnologie di microelettronica, micro-/nano-strutturazione e biotecnologie.

Il piano strategico del laboratorio NetS3 si sviluppa all’interno del programma BrainTech IIT (2015-2019) e conta diverse collaborazioni con altri laboratori IIT e con realtà accademiche ed industriali internazionali. 

Attività

La ricerca al NETS3 è organizzata in quattro line di ricerca:

Sviluppo di biosensori basati su matrici di multielettrodi attivi che permettono la registrazione di segnali elettrofisiologici da diverse migliaia di elettrodi simultaneamente. Tali dispositivi sono ingegnerizzati in laboratorio con tecnologie CMOS combinate a micro-/nano-fabbricazione. Il nostro obbiettivo è di testare tali sensori bioelettronici e di sviluppare queste tecnologie per applicazioni in-vitro ed in-vivo, implementando strumenti completi (HW/SW) per le neuroscienze e l’elettrofisiologia

Le capacità di misura elettrofisiologiche ottenute con i nostri strumenti CMOS sono testate e applicate in differenti contesti sperimentali, con lo scopo di studiare le reti e i circuiti cerebrali, mediante la registrazione simultanea dell’attività elettrica di migliaia di neuroni. Inoltre, le reti e le circuiterie sono studiate a livello multifunzionale e strutturale, per esempio combinando la microscopia ottica e le tecniche neuro elettroniche.

Le competenze in nanostrutturazione, fotonica e nanomateriali disponibili all’interno di IIT, sono associate con le competenze in neuroingegneria e microstrutturazione del laboratorio stesso. Lo scopo è quello di sviluppare nuove metodologie per la produzione di dispositivi integrati neuroelettronici e apparati lab-on-chip, affinchè tali prodotti possano trovare applicazione nella ricerca, in strumenti clinici e per lo sviluppo di bio-analisi.

Principale oggetto di ricerca di questa linea è la comprensione di come le proprietà di comunicazione a livello cellulare e sinaptico di una rete di neuroni determinino le dinamiche funzionali di reti e circuiti cerebrali.

Questo studio è affrontato attraverso modelli computazionali che sono ottenuti basandosi su dati registrati ad alta risoluzione spaziale da reti neuronali e mediante l’analisi di dati attraverso nuovi algoritmi. Questi algoritmi sono sviluppati sia con dati sperimentali sia con dati simulati di reti neuronali. Inoltre, il laboratorio sta sviluppando architetture software e metodi computazionali adattati alla gestione e all’analisi di grossi volumi di dati sperimentali elettrofisiologici e multimodali [e.g. ottici, elettrici]

Laboratori

Il laboratorio è equipaggiato con strumentazione allo stato dell’arte, sia per lo sviluppo di dispositivi e strumenti di misura, sia per lo sviluppo di metodi di analisi di dati e modelli computazionali. Il laboratorio ha, inoltre, accesso alla camera pulita, alla facility di microscopia ottica ed elettronica e allo stabulario presenti in IIT. La ricerca sperimentale è integrata in laboratorio ed è dedicata allo studio in vitro delle proprietà di reti di neuroni, del circuito retinico, e delle strutture presenti in fettine celebrali acute, come il circuito cortico-ippocampale. Un’importante applicazione di tali sviluppi si ha nel campo pre-clinico per la realizzazione di test neurotossicologici e farmacologici in vitro, con metodi biotecnologici che riducono in modo notevole il numero di animali utilizzati per gli esperimenti.

Progetti

  • FET-Proactive, FP7-ICT-2011-9.11 (NBIS) – Coordinated by IIT. Retina-inspired ENcoding for advanced VISION tasks (RENVISION), Persons in charge for IIT: V. Murino (coordinator), L. Berdondini, A. Diaspro. IIT Contribution: €1.152.000. Project start/end: 2013/2016.
  • NIH Brain Initiative, U01NS094190-01 – Coordinated by Harvard University, USA. Persons in charge for IIT: L. Berdondini and M. De Vittorio. IIT Contribution: USD 446.148. Project start/end: 2015/2018.
  • H2020-E-Rare-2 JTC 2014 – Coordinated by University Hospital of Zurich, Switzerland. Immunotherapy of familial prion diseases (Prion Immunity), Person in charge for IIT: L. Berdondini. Project start: 2015/2018.
  • Fondazione Cariplo (Starting Grants) – Coordinated by Università di Padova, Italy. Catalytic Nano-Amyloids Entangled by Metallo-Cores To Disarm Oxidative Stress (AMYCORES), Persons in charge for IIT: L. Berdondini. Project start/end: 2015/2018.
  • FETOPEN, FP7-ICT-2011-C (Open-FET) – Coordinated by IIT. Towards new Brain-Machine Interfaces: state-dependent information coding (SI-CODE), Persons in charge for IIT: S. Panzeri (coordinator), L. Berdondini, A. Vato. IIT Contribution: €1.101.574. Project start/end: 2012/2015.
  • Marie Curie Initial Training Networks (ITN), FP7-PEOPLE-2010-ITN - Coordinated by University of Antwerp, Belgium.
    Neuroelectronics and nanotechnology: towards a Multidisciplinary Approach for the Science and Engineering of Neuronal Networks (NAMASEN), Person in charge for IIT: L. Berdondini. IIT Contribution €240.518. Project start/end: 2011/2015.
  • Italian Ministry of Science and Technology (MEA-MOST), Cooperazione scientifica e tecnologica Italia-Israele 2011.

Collaborazioni

  • Harvard University (B. Sabatini and J. Assad), implantable CMOS-probes
  • University of Zürich (A. Aguzzi), neurodegenerative diseases
  • Newcastle University (E. Sernagor), retina electrophysiology on CMOS-MEAs
  • University of Edinburgh (M. Henning), data analysis and neurocomputation
  • Università dell’Aquila (S. Bisti and S. Di Marco), retina electrophysiology, diagnostics and therapeutics
  • Università di Cagliari (M. Barbaro and P. Meloni), hardware architectures for real-time processing
  • IIT-NAST (F. De Angelis), plasmonic nanoantennas for neuroscience
  • IIT- UniTN (S. Panzeri), information processing in neuronal circuits
  • 3Brain GmbH, (Switzerland), CMOS based instrumentation for research
  • Plexon Inc. (USA) 

    Start-up

    3Brain GmbH, http://www.3brain.com/home