Il Laboratorio di Biofotonica e Neurofisica, gestito congiuntamente dal Dipartimento di Fisica e dal CIMeC, studia i principi fisici della ricezione, trasmissione ed elaborazione dei segnali nei sistemi nervosi, applicando metodi di fisica sperimentale alle neuroscienze. La principale infrastruttura è una piattaforma di microscopia multi-fotone che consente imaging non invasivo, dal cervello intero fino a strutture subcellulari, integrata con imaging del calcio ad alta risoluzione temporale per collegare attività neurale e comportamento. La ricerca copre diversi livelli, dai recettori sensoriali (magnetoricezione, visione, olfatto), inclusi meccanismi di biologia quantistica, fino alla codifica e plasticità in reti neuronali complesse. L’ape mellifera è un modello centrale. Permette di studiare meccanismi neurali complessi, come il sonno, in condizioni in vivo. Combiniamo stimolazione controllata, optogenetica e test comportamentali con modelli computazionali. Le reti neurali spiking sono utilizzate per interpretare e prevedere i risultati, incluso il ruolo del rumore. Approcci di machine learning (CNN) supportano l’analisi del comportamento e la classificazione fenotipica.
 

Attività di Ricerca

Il Laboratorio di Biofotonica e Neurofisica è un gruppo interdisciplinare gestito congiuntamente dal Dipartimento di Fisica e il Centro Interdipartimentale Mente/Cervello (CIMeC). L'obiettivo è studiare i meccanismi fisici alla base della percezione e della trasduzione dei segnali nel sistema nervoso e applicare i metodi della fisica sperimentale ai problemi neuroscientifici.

La facility principale è una piattaforma di microscopia a due fotoni che permette l'imaging strutturale e funzionale non invasivo in piccoli modelli animali a diverse scale: dall'imaging macroscopico di interi cervelli alla microscopia ad alta risoluzione di reti neurali, singoli neuroni e strutture subcellulari. La mappatura dell'attività cerebrale viene effettuata utilizzando tecniche di imaging in vivo del calcio ad alta risoluzione temporale.

Le attività di ricerca del laboratorio partono dal livello dei recettori (olfatto, visione, magnetorecezione), ad esempio per testare potenziali meccanismi quantistici biologici, e passano dagli studi sulla codifica e la trasduzione delle informazioni nei centri di elaborazione primaria ai cambiamenti legati all'apprendimento nella struttura e nella funzione di grandi reti neuronali. Una specie modello promettente è l'ape Apis mellifera. Con un cervello di appena un milione di neuroni, mostra performance eccezionali in un'ampia varietà di comportamenti come la comunicazione, la navigazione e l'apprendimento.

Per decifrare i meccanismi di codifica, la connettività e la plasticità fino al livello del singolo neurone, abbiamo aggiunto al nostro repertorio sperimentale gli strumenti optogenetici, che ci permettono di stimolare artificialmente singoli nodi in reti neurali e di seguire la propagazione dello stimolo nell'intera rete. 

I risultati delle neuroimmagini vengono confrontati con esperimenti comportamentali, ad esempio esperimenti di apprendimento e memoria basati sul riflesso di estensione della proboscide delle api, e simulati con modelli di spiking neuronal networks.

Neurofisica

• Meccanismi di codifica neuronale
• Dinamica delle reti neuronali
• Plasticità neurale indotta dall'apprendimento

Biofotonica

• Imaging multi-fotone strutturale e funzionale
• Manipolazione optogenetica

Biologia quantistica

• Teoria vibrazionale dell'olfatto
• Magnetoricezione mediante coppia di radicali

Neuroscienza applicata di insetti 

• Effetti di dosi subletali di pesticidi neuroattivi sugli insetti
• Strategie alternative di gestione degli insetti nocivi

Membri del gruppo