Ultrasound-induced effects on the motility of C.elegans: development of an experimental setup and in vivo results

The proposal of this work falls within the context of experiments on the modulation of neuronal activities (neuromodulation). This sector of neuroscience aims to influence neuronal communications in a controlled and external way, and it has important therapeutic applications. Therefore, experiments are oriented to seek and perfect new physical and/or chemical techniques to obtain demonstrable and repeatable results. In clinical applications involving delicate tissues such as nervous tissues, some aspects are particularly relevant, and they are: − the minimal invasiveness, i.e. the reduction of the need to intervene for example with probe implants, in the treated neuronal tissues. − the localization, i.e. the possibility of acting only on the affected tissues, minimizing the effects on other tissues; − the reversibility, i.e. the possibility of effectively modulating the activity of the neuronal cells involved, without destroying them. Knowledge in this sector is constantly evolving and allows us to associate more and more precisely specific physical behaviours (for example, muscular activities) to the activity of equally specific and well localized neuronal circuits. Experiments can therefore be carried out to demonstrate the neuromodulation action through the observation of the changes induced on the observable physical behaviour of the organism studied. In some organisms (including the nematode C. elegans), the neuronal circuits and their links with motor behaviors are known, both in position and in functions, as they are relatively simple organisms. These knowledges allow to directly associate the stimuli provided with the relative sensitivity of specific types of neurons. It is therefore evident that there is a need to clearly highlight the real nature of the ultrasonic stimuli induced on these neurons, the techniques for inducing them, and the types of neurons involved. The structure of the work is therefore designed to initially provide all these physical knowledges, also necessary to explain setup choices, and finally, to better understand and interpret the subsequent experimental results.

La proposta di questo lavoro è inserita nel contesto delle sperimentazioni sulla modulazione delle attività neuronali (neuromodulazione). Questo settore delle neuroscienze si propone di influenzare in modo controllato e dall’esterno, le comunicazioni neuronali, e ha importanti applicazioni terapeutiche. Le sperimentazioni cercano e perfezionano quindi nuove tecniche fisiche e/o chimiche per ottenere dei risultati dimostrabili e ripetibili. Nelle applicazioni cliniche che coinvolgono tessuti delicati come quelli nervosi, alcuni aspetti assumono particolare rilevanza e sono: - la minima invasività, ovvero la riduzione della necessità di intervenire ad esempio con impianti di sonde nei tessuti neuronali trattati; - la localizzazione, ovvero la possibilità di agire solamente sui tessuti interessati, minimizzando gli effetti sugli altri; - la reversibilità, ovvero la possibilità di modulare effettivamente l'attività delle cellule neuronali interessate senza distruggerle. Gli ultrasuoni si sono dimostrati efficaci nel controllo di questi aspetti, grazie alla possibilità di penetrazione nei tessuti dall’esterno, di focalizzazione e di modulazione di intensità e frequenza. Le conoscenze nel settore della neuromodulazione sono in continua evoluzione e permettono di associare sempre più precisamente specifici comportamenti fisici (ad esempio, le attività muscolari) all'attività di altrettanto specifici e ben localizzati circuiti neuronali. Si possono quindi effettuare sperimentazioni per dimostrare l'azione di neuromodulazione attraverso l'osservazione delle modificazioni indotte sul comportamento fisico osservabile dell'organismo studiato. In alcuni organismi (tra cui il nematode C. elegans), i circuiti neuronali i relativi legami con i comportamenti motori sono noti, sia nella posizione che nelle funzioni, trattandosi di organismi relativamente semplici. Tali conoscenze permettono di associare direttamente gli stimoli forniti alla sensibilità relativa di specifiche tipologie di neuroni. Risulta quindi evidente la necessità di evidenziare chiaramente quale sia la reale natura degli stimoli ultrasonici indotti su questi neuroni, le tecniche per indurli, e le tipologie di neuroni coinvolti. La struttura del lavoro è pensata quindi per fornire inizialmente tutte queste conoscenze fisiche, necessarie anche per spiegare le scelte di setup effettuate, e per poter meglio comprendere e interpretare i successivi risultati sperimentali.