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Il riflesso pupillare fotomotore, ovvero il cambiamento nella dimensione della pupilla in seguito ad uno o più stimoli luminosi, rappresenta un paradigma di sistema di controllo biologico dinamico, non lineare, retroazionato negativamente. L’attenzione dedicata allo studio, modellazione e simulazione del suddetto riflesso si basa su due fattori importanti. Il primo è la possibilità di misurare la risposta della pupilla in modo veloce e non invasivo, mentre il secondo è relativo alla capacità di individuare in base all’analisi della risposta di patologie o problematiche del sistema visivo oppure del sistema nervoso, come per esempio: l’anisocoria, il glaucoma, la pupilla tonica, il difetto pupillare afferente relativo, le lesioni del mesencefalo, le lesioni del sistema parasimpatico oppure simpatico, e molti altri. In generale, il diametro pupillare è sottoposto a continue variazioni in funzione dei cambiamenti di illuminazione, distanza di fissazione e stimoli illuminazione e le pupille vanno studiate valutandone la dimensione, la forma, la simmetria e l’attività (dilatazione e costrizione). Lo scopo della tesi consiste nell’individuazione di un modello del riflesso pupillare in grado descrivere i cambiamenti generati nel diametro pupillare da stimoli luminosi monocromatici o policromatici, ad intensità variabili. Il modello unisce la risposta della retina contenete i fotorecettori: quattro classici - i bastoncelli e tre tipologie di coni - ed un quinto recentemente scoperto, che esprime la melanopsina, ad una risposta dinamica, dei due muscoli antagonisti: il dilatatore e il costrittore gestiti dal sistema nervoso autonomo che tiene conto delle diverse non-linearità intrinseche. Il sistema, implementato successivamente in Simulink fornisce un’architettura della risposta policromatica, facilmente integrabile con altre tipologie di stimoli e disturbi in modo da realizzare un sistema di controllo completo applicabile a sistemi di diagnostica oppure a sistemi utilizzati per la ricerca scientifica. Per osservare come la pupilla risponde realmente a stimoli luminosi di diversi colori sono condotte delle prove sperimentali mediante un flickermetro portatile capace di gestire tre led fondamentali e le loro interazioni, ottenendo dei risultati utili per inserire nel modello i parametri dinamici e di non-linearità effettivi. Come lavori futuri si rammenta la continuazione delle prove sperimentali per testare la stabilità del modello e anche la possibilità di inserire in Simulink dei blocchi che tengano conto dell’età dei soggetti, malattie, colore del iride ed altri fattori che potrebbero influenzare la risposta pupillare, che assieme alla risposta policromatica daranno la possibilità di creare un modello esaustivo del riflesso pupillare. Tale modello potrà essere la base di prove cliniche o di nuove metodologie di individuazione di patologie nelle quali il riflesso pupillare gioca un ruolo importante.

The pupillary light reflex (PLR), or rather the change into the diameter of the pupil as a result of one or more light stimuli, has proven to be a paradigm biological control system for dynamic, nonlinear systems with negative feedback. The attention given to the study, the modeling and the testing of the PLR is based on two important factors. The first one is the possibility to measure the diameter in a fast and non-invasive way, while the second one is related to the diseases where the PLR plays an important role in diagnostics, for example: glaucoma, retinas pigmentosa, age-related macular degeneration (AMD), the pupil of Argyll Robertson, sympathetic and parasympathetic lesions, and many others. The aim of the thesis is to create a model of the PLR able to describe the polychromatic stimulus behavior at different light intensities. The model puts together the answer of the retina containing the four classical photoreceptors: rods, S-, M-, L-cones, and one recently discovered melanopsin-containing ipRGCs, which contributes to the circadian rhythms, with a dynamical answer of two antagonist muscles: the dilatator and the constrictor determined by the interaction of the parasympathetic and the sympathetic nervous system which take into account the intrinsically non-linearities of this complex system. The model is then implemented in Simulink giving as a result an architecture for the polychromatic behavior of the PLR which could be integrated with other types of stimuli and disturbs in order to create a complete control system useful for research or diagnostics in the eye field. Finally to better understand how the pupil behave in front of color variation, a first test is accomplished through a portable flickermeter. The results could be added in the model like dynamical and non-linear parameters. For future works, there it would be the possibility to extend the testing, to add different stimuli like age, color of the iris, diseases in order to better understand how the pupil behave under different conditions. The model could be applied to clinical tests and it could be useful for recognition of other dysfunctions where the PLR plays an important role.