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  Projectfinanziato 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.