Tesi disponibili:
Tesi
per Laurea Triennale (o magistrale) in Fisica:
Titolo: Il modello di Hopfield per la memoria associativa
Si puo
studiare il modello di Hopfield per la memoria
associativa a partire dal semplice modello di Ising
per la transizione ferromagnetica. La tesi introdurrà il modello di Ising e, seguendo il libro "Introduction
to the theory of neural computation" di John Hertz (Nordita) Krogh e
Palmer, si passerà dal modello di Ising a quello di Hopfield.
L'approccio sebbene semplice, illustra in modo esemplare come le tecniche di
meccanica statistica siano utili per la comprensione dei fenomeni collettivi
complessi che si osservano nei sistemi neurali.
Titolo: neural coding
L'argomento precedente e'
legato al dibattito su quale sia il modo in cui l'attività neurale codifica l
informazione. Conta la distribuzione spaziale dell'attività (population coding) o il preciso ordine temporale delle spikes (temporal coding) o entrambi ?
Si puo discutere il semplice modello di Hopfield per la memoria associativa di pattern statici
(sempre dal libro "Introduction to the
theory of neural computation" di John Hertz Krogh e Palmer) e poi
descrivere i recenti risultati sperimentali sul cervello che mostrano la
riattivazione di pattern memorizzati e il ruolo del tempo nella codifica
neurale.
Titolo: le reti neurali artificiali (triennale o magistrale)
La tesi si puo concentrare sul descrivere alcune
tecniche di intelligenza artificiale, e il trade-off
tra apprendimento e generalizzazione.
Per una tesi magistrale si puo' sviluppare
l'argomento delle Deep Learning e applicarlo a dati
reali (dati geofisici/sismici/biologici).
Titolo: reti small world
Introducendo brevemente la teoria dei grafi, si puo'
fare una tesi sulle reti small world introdotte nel famoso lavoro
di Watts & Strogatz
"Collective dynamics of
‘small-world’ networks" su nature, con piu'
di 39000 citazioni.
Si puo' descrivere l'argomento prendendo spunto dal
libro di Vito Latora et al "Complex
Networks"
Tesi per la Laurea Magistrale
in fisica
oltre a poter sviluppare gli argomenti precedenti, si propone anche il
seguente possibile argomento di tesi:
Titolo: Fenomeni ciritici nelle reti neurali
corticali (magistrale)
Le neuroscienze computazionali
sono un campo in grande espansione attualmente, come testimoniato dal progetto
“Human Brain Project” finanziato dall’Unione Europea, e “Brain Initiative” dagli USA. Lo scopo finale
è sia di comprendere più a fondo il funzionamento del cervello umano, sia di
comprendere i meccanismi alla base di diverse malattie del sistema nervoso, con
importantissime ricadute applicative ed economiche.
L'interazione di molte unità
semplici spesso fa emergere comportamenti collettivi complessi, che non possono
essere facilmente dedotti dal comporamento delle
singole unità prese separatamente. Questo e'
il caso per esempio delle transizioni di fase ben note in materia condensata.
Anche nel caso delle reti
neurali l'interazione tra neuroni può dar vita a comportamenti collettivi
complessi.
Negli ultimi anni c’`e
stato uno sviluppo enorme delle tecniche sperimentali che permettono di
osservare la dinamica di reti di neuroni, in-vivo mediante ad esempio risonanza
magnetica, o in-vitro mediante misura del potenziale elettrico, e sono stati
evidenziati comportamenti molto complessi.
Ad esempio è stato osservato che
l’attività neurale corticale sembra avvenire per scariche prive di una
scala caratteristica, come avviene al punto critico di una transizione di fase,
in cui si può osservare una struttura non banale a tutte le scale spaziali e
temporali e il sistema è auto-somigliante. Sembra che il cervello, per poter
rispondere in maniera efficace e flessibile agli stimoli esterni, si debba sempre
trovare sul “limite critico” tra una fase di scarsa attività, in
cui solo pochi neuroni interagiscono contemporaneamente, e una fase in cui
tutta la rete risponde in maniera troppo violenta.
Un altro fenomeno che ha
recentemente attratto l'attenzione e'
l'osservazione secondo cui alcuni patterns
spaziotemporali di scariche neurali esibiti durante la veglia si ripetono
durante il sonno con la stessa organizzazione spaziotemporale. Ciò ha fatto
pensare che l'organizzazione spaziotemporale delle scariche della popolazione
di neuroni, e quindi la precisa distanza temporale tra le scariche, possa
rappresentare una codifica dell'informazione, e
il ripetersi dei patterns spaziotemporali potesse
essere legato al richiamo delle informazioni immagazzinate come attrattori
della dinamica.
La tesi consisterà
nello studio di modelli schematici di reti neuronali, allo scopo di comprendere
le dinamiche e i meccanismi che sono alla base del comportamento osservato
sperimentalmente.
Our
group partecipates in the
INFN project BIOPHYS (national coordinator Michele Caselle, local coordinator S.Scarpetta)
TO61-BIOPHYS:
" Biological Application of theoretical physics methods"
The
activity of our group inside BIOPHYS in the last few years focus on the use of
theoretical physics tools, and in particular statistical mechanics and
stochastic models, to modelling a system as complex as the brain. The goal is
to investigate processing and imprinting of information in the brain, focusing
on cortical dynamics, plasticity and oscillations.
Cortical areas indeed play a key role in important functions like those related
to the memory.