Fenomeni indotti dal rumore in Sistemi Biologici Complessi a Soglia

Progetto: Research project

Dettagli progetto

Description

L'UdR III ha progettato vari esperimenti per rivelare l'influenza del rumore nel riconoscimento della specie Nezara Viridula (NV). La comunicazione con suoni emessi da soggetti maschi e femmine, prodotte tramite le vibrazioni del corpo, è una parte essenziale del richiamo sessuale durante l'accoppiamento. Il meccanismo che permette agli individui dei due sessi di stabilire il contatto sulla stessa pianta è ancora sconosciuto. Osservazioni sulla NV hanno mostrato che i maschi più attivi si avvicinano ad una femmina ferma su una pianta in senso direzionale con comportamento caratteristico di ricerca alle giunzioni dei rami. Negli esperimenti verranno usati maschi sessualmente maturi e femmine di NV allevati in laboratorio. L'attivita' sperimentale sara' articolata i 5 fasi: a) Osservazione di coppie di NV su substrato. Lo scopo e' quello di verificare la direzionalità nei meccanismi in base ai quali la NV localizza la fonte delle vibrazioni su un substrato che ha la forma di una Y (gambo piu' due foglie). Le risposte vibratorie dell'insetto saranno monitorate tramite un microfono con membrana a contatto con il substrato nella parte inferiore del gambo. Gli esperimenti saranno condotti sia in assenza, sia in presenza dello stimolo. Stimoli vibratori esterni saranno applicati all'apice di una foglia del substrato della prova. Gli esperimenti saranno effettuati in una camera anecoica, priva di eco e insonorizzata, alla temperatura ambiente di 22-26°C ed in presenza di luce artificiale. b) Compilazione del repertorio sonoro di NV. I suoni saranno registrati dal microfono, digitalizzati e memorizzati in un PC e quindi analizzati mediante programmi convenzionali per l'analisi del suono. I suoni della NV riflettono le frequenze caratteristiche delle vibrazioni del corpo dell'insetto; la frequenza dominante dipende direttamente dal rate di contrazione dei muscoli addominali. Gli spettri dei segnali emessi saranno calcolati e paragonati con quelli gia' pubblicati in letteratura dagli stessi ricercatori. c) Manipolazione digitale. I suoni emessi digitalizzati verranno riprodotti artificialmente ma con rapporto segnale-rumore più basso (SNR), al fine di misurare la soglia di percezione dell'insetto. A questo punto verra' addizionato al segnale sottosoglia un segnale di rumore con intensità variabile, al fine di stabilire le condizioni di segnale e rumore ottimali per la comunicazione fra coppie di NV. d) generazione di rumore di fondo "realistico". Nella maggior parte degli esperimenti di settore, il rumore additivo è considerato "bianco", cioè con correlazione temporale nulla o molto piccola. Tuttavia, rumore colorato è stato osservato in molti sistemi biologici. Sebbene gli effetti di rumore colorato sulla SR siano gia' stati discussi in letteratura da ricercatori dell'UdR I, la discussione dell'interazioni fra colore del rumore e frequenza del segnale in input nel contesto di studi biologici è ancora sommaria. Gli esperimenti in c) verranno ripetuti in presenza di un rumore colorato additivo sovrapposto a segnali sottosoglia. e) Interpretazione dei dati sperimentali. Nonostante le drastiche semplificazioni, il modello di FitzHugh-Nagumo (FHN) riproduce qualitativamente molte proprieta' osservate delle cellule neuronali. Come minimizzare l'effetto delle fluttuazioni in un modello FHN in regime sopra-soglia al fine di diminuire il ritardo della trasmissione delle informazioni esterne nei sistemi di neuroni, è ancora una questione irrisolta. Si procedera' pertanto alla simulazione numerica del modello di FHN con forzante periodica sopra-soglia. Ob

Layman's description

Gli obiettivi scientifici:1. Indagine sperimentale sul fenomeno di risonanza stocastica nel riconoscimento di specie.2. Indagine teorica sull'influenza del rumore e di una forzante periodica sul modello del neurone di FitzHugh-Nagumo nei diversiregimi sotto soglia e sopra soglia. Gli effetti indotti dal rumore: l'attivazione risonante e la "noise enhanced stability".3. Estensione delle indagini precedenti all'analisi degli effetti indotti da rumore colorato o "da rumore realistico" su tali sistemibiologici a soglia.Le questioni scientificamente aperte sono:a) Studio dell'influenza del rumore nel riconoscimento di specie per le popolazioni che comunicano acusticamente [30].b) Come minimizzare l'effetto delle fluttuazioni in un modello sopra soglia di FitzHugh-Nagumo (FHN), per minimizzare il ritardo ditrasmissione di informazioni esterne in sistemi neuronali [27].c) La comprensione del ruolo del rumore colorato sui sistemi biologici a soglia [25].1. Le fasi del progetto.Per raggiungere gli obiettivi scientifici descritti nella precedente sezione di "background scientifico" il progetto si svilupperàsecondo le indagini sperimentali e teoriche con le seguenti fasi, che descriviamo per punti.1.1 Ricerca Sperimentale: Il rumore nel riconoscimento di specie di Nezara ViridulaScopo finale di questo tema di ricerca è migliorare le tecniche di monitoraggio della popolazione sfruttando il canale dicomunicazione acustica dei suoni emessi dalle cimici, tenendo in conto la presenza di un ambiente rumoroso. La rilevazione o latrasmissione mediata dal rumore di deboli segnali gioca un ruolo importante in biologia. Infatti i neuroni sensoriali sononotoriamente rumorosi e il loro comportamento di massima funziona come sistemi a soglia. Può il fenomeno di risonanza stocasticarappresentare la raffinata sensibilità di alcuni animali o insetti ai segnali coerenti deboli inclusi in un ambiente rumoroso?1.2 Ricerca Teorica: Effetti del rumore nel modello neurale di FitzHugh-NagumoL'indagine sull'influenza di varie perturbazioni esterne sulla generazione degli impulsi elettrici nei neuroni ha avuto grande sviluppodurante i dieci anni ultimi [27,31-34]. Il modello di FitzHugh-Nagumo (FHN) è la versione semplificata del modello ampiamenteconosciuto di Hodgkin-Huxley, che descrive la dinamica del neurone.1.3 Gli effetti di rumore colorato su sistemi biologici con sogliaNella maggior parte degli studi su effetti indotti da rumore sui sistemi biologici, il rumore additivo è considerato come rumorebianco, cioè avente spettro piatto e correlazione temporale nulla o molto piccola. Tuttavia, il rumore colorato è stato osservato inmolti sistemi biologici [25]. Desideriamo studiare in entrambi i sistemi biologici precedenti a soglia il ruolo "di un rumorerealistico" sul riconoscimento di specie e sulla dinamica neuronale. Specificamente studieremo come gli effetti indotti dal rumore,quale risonanza stocastica, stabilità aumentata dal rumore e l'attivazione risonante, saranno modificati dalla presenza dicorrelazione temporale del rumore.

Key findings

Altro
StatoFinito
Data di inizio/fine effettiva2/24/062/16/08