• Bioactuation
• Biosensor
• Conductive polymer
• Modelling
• Neuron

La realizzazione di interfacce dirette tra cervello ed elettronica possono portare enormi benegici in numerosi campi tra cui la medicina e gli studi di neuroscienze e possono altresì portaare allo sviluppo di tecnologie per mitigare i disturbi del cervello. Per queste ragioni, ricerca attiva viene condotta verso nuovi materiali bio-compatibili e verso una migliore comprensione dei fenomeni fisici che regolano la trasduzione del segnale nel neurone. I polimeri conduttivi sembrano presentarsi come ottimi candidati per la fabbricazione di queste interfacce per la loro capacità di riempire la distanza fra trasporto ionico ed elettronico e per la loro facilità di integrazione in ambienti biologici. Allo stesso tempo, il costante progresso nella microelettronica permette la fabbricazione di micro-electrode-arrays (MEA) che migliorano la risoluzione spaziale dell'interfaccia di sensing rispetto alle più invasive e datate patch clamps. L'integrazione di questi elementi sullo stesso chip può aprire la strada a un approccio di controllo dinamico del comportamento delle cellule eccitabili come i neuroni.
Tra i più comuni disturbi del cervello al giorno d'oggi figura l'epilessia. A circa 5 milioni di persone ogni anno viene diagnosticata qualche forma di questa malattia; oltretutto in alcuni casi percentuali anche del 20% dei pazienti soffre di epilessia resistente ai farmaci. Per questo motivo l'epilessia risulta un caso di studio rilevante per le tecnologie che mirano a stimolazione, sensing e inibizione dell'attività neurale.
Questa tesi esplora questo vasto campo di ricerca attraverso lo sviluppo di un approccio modellistico a elementi finiti di un neurone che mostra attività epilettiforme. In particolare è stata valutata l'efficacia una nuova tecnologia iontronica per il rilascio di calcio nelle vicinanze del neurone, considerato uno dei modi di controllare l'attività neurale. I modelli impiegati per la simulazione rappresentano tutti gli elementi di un sistema di controllo bioelettronico su diverse scale dimensionali. Vale a dire l'interfaccia di sensing, l'analita che deve essere studiato e l'attuatore iontronico.
Sono stati considerati i limiti di approssimazione del modello di site binding statico sulla superficie del sensore rispetto al modello dinamico. Successivamente sono stati modellati i fenomeni di adattamento e di bursting sulla membrana neuronale a partire da dati sperimentali dalla letteratura. A questo proposito è stata data particolare importanza alla relazione tra la concentrazione di calcio extracellulare e i fenomeni di bursting e adattamento. Infatti, si può affermare che un neurone in forte condizione di bursting con basso adattamento della frequenza di spike manifesta attività epilettiforme. E' stato dimostrato in letteratura che una riduzione della concentrazione di calcio extracellulare è spesso causata dall'insorgenza d una crisi epilettica e che una variazione di tale concentrazione ha un importante effetto sulla conduttanza equivalente di alcuni canali ionici. La modellazione e la simulazione del sistema completo permette di trarre conclusioni sulla fattibilità dell'inibizione iontronica del bursting e offre un'utile piattaforma per la progettazione e il dimensionamento dei componenti del sistema reale.

The realization of stable direct brain-electronics interfaces could bring huge benefits to numerous fields overarching medicine, healthcare, neuroscience studies and could eventually lead to develop technologies for the mitigation of brain disorders. Therefore active research is ongoing towards new bio-compatible materials and a better understanding of the physical phenomena underlying neuron signal transduction. Conductive polymers appear as a good candidate to fabricate these interfaces since they can bridge the gap between ionic and electronic transport and they can be integrated seamlessly inside a biological environment. At the same time, the continuous progress of microelectronics enables the fabrication of micro-electrode arrays (MEA) to enhance spatial resolution of the biological sensing interface with respect to the older and invasive patch clamps. The integration of these elements onto the same chip could pave the way to a dynamic control approach to the behaviour of excitable cells like neurons. Among the post common brain disorders affecting humans today stands epilepsy. About 5 million people are diagnosed with some form of epilepsy every year; in addition to this, in some cases percentages as high as 20% of the patients suffer from drug-resistant epilepsy. Therefore, epilepsy stands as a relevant use case for technologies aiming at both stimulation, sensing and depression of neural activity. This thesis explores this wide field of research by developing a finite element modelling approach to a neuron exhibiting epileptiform activity. In particular, we evaluated the efficacy a new iontronic technology for calcium release in the vicinity of the neuron, considered as a mean to control neurons' activity. The models employed for the simulation represent all the elements of a bioelectronic control system on multiple dimensional scales. They are the sensing interface, the analyte under study and the iontronic actuator. We considered the limits of the approximation of the static site binding model on the surface of the sensor as compared to the dynamic one. Then the adaptation and the bursting phenomena on the neuron membrane were modelled from experimental data from the literature. In this regard we gave particular importance to the relation between the extracellular calcium concentration and the bursting and adaptation phenomena. Indeed, we can say that a strongly bursting neuron with low spike-frequency adaptation is exhibiting epileptiform activity. It has been reported that a decrease in the extracellular calcium concentration is often caused by the insurgence of an epileptic seizure and that a variation of such concentration impacts the conductance of some ionic channels. The modelling and simulation of the overall system allows to draw conclusions on the feasibility of iontronic inhibition of bursting and it offers a useful design platform to size and place the components of the system.