IAC

Responsabile: FASMA DIELE

Indirizzo: c/o Area di ricerca di Bari Via Amendola, 122-I – 70126 Bari BA Puglia
Tel.: 080 5929740
Fax: 080 5929770
E-mail: f.diele@iac.cnr.it
Sito web dell’Istituto: http://www.iac.cnr.it
Sito Web dell’ Articolazione: http://www.ba.iac.cnr.it
Dipartimento di prevista afferenza:Scienze fisiche e tecnologie della materia

Missione

Sviluppare modelli e metodi matematici, statistici e computazionali di elevato carattere innovativo per la risoluzione, in ambito prevalentemente interdisciplinare, di problemi di rilevante interesse applicativo per le scienze, la societa’ e l’industria

L’Istituto per le Applicazioni del Calcolo “Mauro Picone” (IAC), uno degli istituti storici del CNR, e’ un istituto di ricerca di matematica applicata. Fu fondato da Mauro Picone nel 1927 e, dal 2002, ha sedi a Roma, Bari, Firenze e Napoli, con complessivamente una cinquantina di ricercatori. Sorprendentemente la sua politica di ricerca attuale riflette ancora molte delle idee originali di Picone. In effetti, molto prima dell’introduzione dei calcolatori digitali, Picone ebbe l’intuizione del potenziale impatto sulla risoluzione di problemi reali della combinazione di astrazione matematica e metodi computazionali.

La societa’ moderna sta diventando sempre piu’ complessa e si assiste ad uno sviluppo sempre piu’ veloce delle nuove tecnologie. In questo contesto la matematica non fornisce solamente un linguaggio per descrivere i processi scientifici e tecnologici. Il suo valore intrinseco e’ piu’ profondo: l’alto livello di astrazione della matematica, importante per la comprensione teorica, permette di sviluppare, a basso costo, metodi flessibili e procedure efficienti per descrivere con precisione processi complicati del mondo reale. In pratica, una combinazione corretta ed intelligente della matematica e della potenza di calcolo offre possibilita’ interamente nuove per trattare problemi altamente complessi e per progettare tecniche efficienti capaci di far fronte alle richieste di flessibilita’ tipiche delle odierne applicazioni.

E’ in questo contesto che l’Istituto sta lavorando, nella ferma convinzione che il CNR offra le migliori condizioni a livello nazionale per la promozione di questo genere di attivita’. In effetti, la missione specifica dell’Istituto e’ “di sviluppare modelli e metodi matematici, statistici e computazionali di elevato carattere innovativo per la risoluzione, in ambito prevalentemente interdisciplinare, di problemi di rilevante interesse applicativo per le scienze, la societa’ e l’industria”. Le applicazioni nascono in campi molto diversi, tutti con forti legami con la societa’, quali, ad esempio, l’ingegneria (scienze dei materiali, turbolenza, condensazione di Bose-Einstein, micro-flussi), le scienze mediche e la biologia (elaborazione di immagini mediche, genoma, sistema immunitario umano, flusso sanguigno), l’ambiente (analisi di dati satellitari dell’osservazione della terra, studio di processi nei laghi subglaciali antartici), il trasporto (traffico urbano), la finanza e l’economia (gestione ottimale del debito pubblico italiano, microdinamica dei mercati finanziari), il patrimonio culturale (degrado di monumenti antichi), i sistemi di produzione (robotica, visione artificiale, problemi di scheduling), l’informatica (reti di comunicazione, sicurezza informatica), ecc.

Per due motivi diversi l’interdisciplinarieta’ e’ un concetto chiave per la ricerca svolta presso l’IAC. Il primo – e piu’ evidente – riguarda l’interazione stretta fra la matematica e le sue applicazioni. La matematica non fornisce solamente soluzioni a problemi di ogni genere, ma viceversa, problemi complessi del mondo reale stimolano direttamente lo sviluppo di nuove tecniche e metodi matematici. Ecco qualche esempio tra i tanti che si potrebbero fare. I problemi pratici di visione automatica richiedono l’elaborazione di nuovi metodi teorici e numerici del calcolo delle variazioni; le applicazioni mediche di risonanza magnetica richiedono lo sviluppo di nuovi metodi sia statistici che di algebra lineare numerica; la simulazione del sistema immunitario umano conduce a nuovi tipi di modelli di calcolo. Anche campi classici, quale la dinamica dei fluidi, una volta osservati da una prospettiva matematica piu’ generale, conducono a nuove metodologie interdisciplinari nella scienza e nell’ingegneria.

Il secondo aspetto della ricerca interdisciplinare e’ meno evidente, ma ugualmente importante, e nasce dall’interazione fra settori differenti della matematica, interazione spesso necessaria per trattare problemi effettivamente complessi, che solitamente richiedono la combinazione di piu’ di una singola tecnica per ottenere soluzioni soddisfacenti. Questa interazione e’ in una fase relativamente iniziale di sviluppo: la combinazione di metodi avanzati in differenti settori, richiede la formazione di gruppi di ricerca qualificati e puo’ essere considerata come una delle grandi sfide della matematica applicata del prossimo futuro. La sua importanza strategica porta ad auspicare la presenza di un’azione chiave della Commissione Europea in tale ambito. All’IAC, alcune esperienze di tipo interdisciplinare hanno gia’ condotto a risultati promettenti. Per esempio, in una collaborazione con il Ministero italiano per gli affari economici, e che riguarda la gestione ottimale del debito pubblico italiano, solo una combinazione altamente non banale dei metodi che vengono dalla teoria di controllo stocastico, dalla matematica discreta, dalla statistica, dall’analisi matematica e dal calcolo numerico puo’ condurre a risultati significativi. Analogamente, l’elaborazione di immagini richiede la combinazione di metodi di analisi reale e complessa, di statistica, di teoria delle probabilita’, di ottimizzazione discreta e continua, di algebra lineare e di analisi numerica. La modellistica del traffico stradale richiede l’uso di equazioni alle derivate parziali non lineari da un lato, e di metodi di ottimizzazione discreta dall’altro. In particolare, e’ da notare il fatto che combinare i metodi della matematica discreta e della matematica del continuo e’ di considerevole aiuto nella soluzione di problemi complessi e/o con scale multiple. Avere gruppi di ricercatori che lavorano in questa direzione, a partire da problemi concreti, e’ un chiaro elemento caratterizzante dell’istituto. La combinazione di conoscenze e di esperienze dei ricercatori dell’IAC, permette di usare alcune tecniche in campi apparentemente molto distanti tra loro, come la finanza e la biologia, e infatti, la maggior parte dei ricercatori partecipa a piu’ di un progetto applicativo.

Le competenze dell’istituto possono essere sintetizzate dalla seguente lista di parole chiave: modellistica matematica, equazioni differenziali parziali, teoria delle probabilità, statistica, ricerca operativa, problemi inversi, elaborazione di immagini e del segnale, fisica matematica, analisi numerica, algebra lineare numerica, meccanica dei fluidi, teoria cinetica, sistemi dinamici non lineari, sistemi complessi, teoria della relatività, bio-matematica, finanza matematica, analisi di dati, calcolo delle variazioni, ottimizzazione, teoria di controllo, informatica, computer graphics, visualizzazione scientifica, crittografia, teoria del calcolo, calcolo ad alte prestazioni e calcolo numerico, simbolico e statistico, traffico su reti, traffico stradale, algebra lineare computazionale.

Attività di ricerca

La ricerca del CNR e’ organizzata tramite commesse presso i vari Dipartimenti. Ogni commessa e’ a sua volta strutturata in moduli. Di seguito si elencano i moduli dell’IAC.

DINAMICA DEI SISTEMI COMPLESSI FLUIDODINAMICI E BIOLOGICI (2005, 2006, 2007, 2008, 2009 resp. Sauro Succi), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Materiali e Dispositivi.
La fluidodinamica rappresenta un settore dominante nel quadro delle moderne scienze applicative. Tradizionalmente, la dinamica dei fluidi si rivolge ai settori macroscopici dell’Ingegneria, vale a dire Aeronautico, Automobilistico e simili. Inseguito ai recenti progressi della micro e nanotecnolgia, la scienza dei fluidi e’ sempre piu’ spinta ad interfacciarsi con altre discipline, principalmente la Scienza dei Materiali e la Biologia. Questo interfacciamento richiede sostanziali estensioni della scienza dei fluidi, sia sul piano concettuale che su quello modellistico e applicativo. L’attivita’ di questa Commessa e’ volta a coprire tutti e tre questi aspetti fondamentali e complementari, con progetti relativi allo studio di Flussi Turbolenti, Micro/Nanofluidica, Flussi Biologici, Flussi con transizioni di fase, Fluidi Elettronici e Quanto-Relativistici, Metodi Matematico-Numerici avanzati per la simulazione dei fluidi.

MODELLI, METODI MATEMATICI E SIMULAZIONE NUMERICA PER LO SVILUPPO DI MATERIALI NUOVI: RICERCA E FORMAZIONE (2007, 2008, resp. Vanda Valente), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Materiali e Dispositivi.
La ricerca intende sviluppare metodologie matematiche e strumenti numerici atti a migliorare la comprensione del comportamento di una classe di materiali come ferromagneti, cristalli liquidi, superconduttori, piezoelettrici, ceramici, leghe a memoria di forma, generalmente indicati come materiali nuovi, le cui proprietà fisiche e chimiche sono spesso utilizzate per la progettazione e produzione di dispositivi di controllo e protesi biomediche. Molti sono i fenomeni di interesse evidenziati dalla modellazione e dallo studio analitico-numerico delle equazioni associate, tra questi: il cambiamento di fase, lo sviluppo e la propagazione di singolarità, le fratture e lo scollamento di strutture composite. Le problematiche sono affrontate nel contesto della teoria del controllo, della teoria delle equazioni differenziali a derivate parziali e del calcolo delle variazioni e calcolo scientifico. Per l’implementazione
di metodi computazionali avanzati e il confronto tra diverse metodologie di calcolo è essenziale il supporto della simulazione numerica, che richiede anche specifiche competenze informatiche. La proposta è supportata inoltre da competenze maturate nell’ambito di progetti europei di ricerca e formazione.

METODI QUANTITATIVI PER IL MANUFACTURING (2007, 2008, resp. Benedetto Piccoli), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Sistemi di Produzione.
L’obiettivo di mettere in gioco competenze metodologico-quantitative per il raggiungimento di obiettivi strategici nel Dipartimento di Sistemi di Produzione. Le attività sono relative a: – controllo, robotica, scheduling e simulazione, e sono dettate dall’importanza ricoperta dall’operations management nei sistemi manifatturieri; – sviluppo di strumenti software per apparecchiature biomediche con particolare riferimento a tomografi di risonanza magnetica; – sviluppo di metodi di analisi e di previsione nei mercati economico-finanziari complessi, indispensabile per studi di mercato, analisi di previsione sull’assorbimento di prodotto, e lancio di nuovi prodotti; – problematiche inerenti le reti di trasporto che rappresentano anch’esse un tema rilevante ai fine della distribuzione e della sostenibilità dei prodotti; – problematiche inerenti la qualità nei sistemi manifatturieri, altro elemento chiave nel manifatturiero per il controllo dei costi; – lo studio e lo sviluppo di strumenti di calcolo ad alte prestazioni per l’elaborazione distribuita di sistemi complessi.

METODOLOGIE DEL CALCOLO SCIENTIFICO E SVILUPPO DI ALGORITMI E SOFTWARE AD ALTE PRESTAZIONI (2005, 2006, resp. Nicola Mastronardi), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di ICT.
La commessa si prefigge di studiare modelli matematici e di sviluppare algoritmi veloci ed affidabili per problemi di grandi dimensioni in diversi ambiti, tra cui la biomedicina, elaborazione di segnali ed immagini, il telerilevamento, economia e finanza, fluidodinamica. La commessa aggrega competenze in settori strategici della matematica applicata come l’approssimazione numerica dei modelli, la statistica, l’algebra lineare numerica e, piu’ in generale, l’analisi numerica.

SVILUPPO DI METODI MATEMATICI E STATISTICI E DEL RELATIVO SOFTWARE ORIENTATO AL GRID COMPUTING (2006, resp. Umberto Amato), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di ICT.
La commessa si prefigge lo scopo di coprire la filiera della ricerca che va dallo sviluppo di metodi matematici e statistici per la risoluzione di problemi complessi, all’implementazione del relativo software in ambiente cluster e grid, fino alla creazione di interfacce che rendano agevole la fruizione del software in ambienti di calcolo distribuiti. Tali finalità si inseriscono nella logica dell’e-Science tesa a migliorare la collaborazione globale nelle aree scientifiche mediante condivisione di strutture informatiche, dati e software distribuiti geograficamente. Saranno particolarmente sviluppate applicazioni di telerilevamento.

ANALISI NUMERICA DI EQUAZIONI INTEGRALI ED INTEGRO-DIFFERENZIALI NON LINEARI IN AMBITO BIOLOGICO ED INGEGNERISTICO (2009, resp. Maria Rosaria Capobianco) modulo della commessa “Sviluppo di metodi matematici e statistici e del relativo software orientato al grid computing” presso il Dipartimento di ICT.
L’attività di ricerca del modulo è indirizzata nei vari contenuti ai metodi numerici per la risoluzione di problemi integrali ed integro-differenziali lineari e non lineari in ambito biologico ed ingegneristico.Lo studio dei problemi trattati presuppone la conoscenza in vari campi della matematica: dall’analisi numerica all’analisi funzionale, alla teoria dell’approssimazione, alla teoria delle funzioni speciali, all’algebra ed agli aspetti più propriamente algoritmici e computazionali. Il modulo si svilupperà affrontando i seguenti punti: studio delle proprietà di mapping degli operatori integrali ed integro-differenziali in spazi funzionali opportuni e costruzione di nuovi metodi convergenti e stabili; studio dei vari problemi connessi: formule di quadratura, approssimazione e interpolazione di funzioni su intervalli limitati e illimitati, risoluzione di sistemi lineari e non; sviluppo di software matematico per la risoluzione delle equazioni integrali ed integro-differenziali; applicazioni dei nuovi metodi ad alcuni casi di interesse per la dinamica delle popolazioni e per la meccanica della frattura.

SERVIZI APPLICATIVI AUTONOMICI PER INFRASTRUTTURE CRITICHE (2005, resp. Gianfranco Mascari), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di ICT.
Le grandi organizzazioni distribuite (come il CNR) possiedono enormi patrimoni di risorse applicative, informative ed hardware sparse su un territorio più o meno vasto. Di fatto costituiscono sistemi distribuiti software e data intensive di elevata complessità. Tendenzialmente, però, ogni sede (istituto, distaccamento, etc.) tende ad usare le proprie risorse ed un numero limitato di applicazioni centralizzate. Alcuni passi sono stati fatti nella direzione della condivisione trasparente, sicura ed “ubiqua” delle risorse – Grid Computing – e della gestione automatizzata di sistemi di calcolo complessi – Autonomic Computing. In entrambi i campi rimangono delle questioni aperte e molto rimane da fare per integrare le due tecnologie. Obiettivo della commessa è il miglioramento e l’integrazione delle tecnologie sviluppate nell’ambito dell’“Grid Computing” e dell’“Autonomic Computing” al fine di realizzare una piattaforma tecnologica con i seguenti requisiti:
– Accesso trasparente, sicuro, ubiquo ed omogeneo a risorse distribuite ed eterogenee;
– Semplicità di gestione;
– Possibilità d’uso per applicazioni critiche.

MODELLIZZAZIONE QUANTITATIVA DI SISTEMI BIOLOGICI COMPLESSI (2007, 2008, 2009 resp. Filippo Castiglione), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Scienze della Vita.
La biologia matematica mira alla comprensione di quei fenomeni biologici che si rivelano troppo complessi ad una analisi senza l’ausilio delle scienze esatte. Con la modellistica matematica (o computazionale) e’ possibile tentare una descrizione quantitativa delle osservazioni ottenute mediante esperimenti “tradizionali” nei laboratori. L’aderenza ai dati sperimentali e’ una condizione necessaria per un modello matematico mentre il potere predittivo di quest’ultimo ne costituisce il valore aggiunto. L’obiettivo primario della presente commessa e’ quello di ottenere dei risultati che abbiano un valore predittivo con ricadute direttamente spendibili nell’ambito della biologia di base o nella clinica medica. Un secondo obiettivo, di tipo metodologico, e’ quello di fornire una serie di strumenti matematici per descrivere e studiare la dinamica di sistemi biologici complessi a piu’ livelli di dettaglio (i.e. intracellulare, extracellulare, sistemico). Un ultimo importante obiettivo consiste nel costituire un punto di riferimento per tutti i dipartimenti del dipartimento di Scienze della Vita e promuovere una sana e auspicata interdisciplinarita’ tra la biologia e la matematica.

ANALISI E SINTESI DI DATI ETEROGENEI PER UN MONITORAGGIO ASSISTITO DEL DEGRADO DI BENI CULTURALI (2007, 2008, resp. Domenico Vitulano), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Patrimonio Culturale.
Il Bene Culturale e l’ambiente in cui e’immerso costituiscono un sistema per il quale vanno sviluppate e realizzate funzioni per elaborare dati relativi al Bene (ad es. immagini) e all’ambiente (dati climatici e chimici). In tale ambito, lo scopo della ricerca è quello di fornire strumenti di analisi e di sintesi, che consentano un monitoraggio sullo stato di conservazione del Bene oggetto di studio. Sulle immagini sono applicate funzioni di restauro digitale (con riferimento all’immagine di importanza storica), di segmentazione (per evidenziare forme di degrado o eliminare rumore) e di compressione, i dati da scanner laser costituiscono lo strumento per la ricostruzione 3D e i dati di tipo chimico e climatico sono elaborati tramite tecniche di visualizzazione dinamica 2D e 3D e nell’ottica di definire della sensoristica virtuale. Diverse tipologie di degrado chimico-meccanico di interesse dei casi di studio individuati sono studiate mediante formulazione e soluzione numerica di modelli matematici.

CRITERI PER LA SCELTA DEI PARAMETRI DI REGOLARIZZAZIONE (2005, 2006, resp. Gabriele Inglese), modulo della commessa “Sviluppo ed integrazione di tecnologie attive e passive per il sondaggio dell’atmosfera” presso il Dipartimento di Terra e Ambiente
La ricostruzione del profilo verticale di parametri atmosferici di stato richiede la soluzione di una equazione integrale non-lineare non ben posta. Per questo motivo i metodi di regolarizzazione alla Tikonov sono uno strumento essenziale per poter costruire soluzioni approssimate del problema. Il punto cruciale nell’automazione di un metodo di regolarizzazione e’ la scelta del parametro che determina il peso relativo tra dati e penalizzazione. Nel caso in cui siano disponibili informazioni a priori sui profili incogniti, esistono alternative al metodo di Tikonov basate essenzialmente sulla massimizzazione del contenuto di informazione disponibile.

SVILUPPO DI SOFTWARE USER-FRIENDLY PER L’ANALISI DI DATI TELERILEVATI (2005, 2006, resp. Umberto Amato), modulo della commessa “Elaborazione, validazione, archiviazione ed interoperabilità dati; Spatial Data Infrastructure, tecnologie Grid e servizi Web” presso il Dipartimento di Terra e Ambiente
Il modulo si prefigge lo scopo di migliorare la fruibilità di alcuni algoritmi per l’analisi di dati telerilevati sviluppati nell’ambiente di alto livello Matlab

SVILUPPO DI METODI DI CLASSIFICAZIONE E SEGMENTAZIONE (2005, 2006, 2007, 2008, 2009 resp. Italia De Feis), modulo della commessa “Sviluppo ed integrazione di tecnologie attive e passive per il monitoraggio di suolo e sottosuolo” presso il Dipartimento di Terra e Ambiente
Il modulo si prefigge lo scopo di sviluppare metodi statistici per il telerilevamento, in particolare metodi di classificazione di immagine, regressione e segmentazione di immagini. Vengono considerate in particolare applicazioni in campo agricolo (riconoscimento di tipologie di vegetazione e contorni di campi agricoli omogenei)

MODELLI MATEMATICO-NUMERICI PER LA FISICA E LA BIOLOGIA DI UN BACINO SUBGLACIALE (dal 2007, resp. Daniela Mansutti), modulo della commessa ” Dinamica dei microcomponenti, processi ed apporti di massa alle interfacce nella criosfera antartica” presso il Dipartimento di Terra e Ambiente.
Si intende contribuire all’ideazione di modelli matematici innovativi per lo studio dell’evoluzione della dinamica, termodinamica e biologia di un bacino subglaciale. L’attenzione e’ focalizzata su Antartide e Artico. I processi propri dei laghi subglaciali polari sono in relazione con le condizioni climatiche attuali e nelle ere geologiche; il loro studio e’ anche di interesse per la ricaduta sulle indagini sulle forme di vita primordiali. Qui la simulazione numerica puo’ portare a previsioni senza interventi invasivi sul campo (quali sono invece i carotaggi) e, analogamente, contribuire alla giustificazione di teorie sulla storia passata. Gli obiettivi specificamente considerati sono: 1) simulazione numerica finalizzata alla caratterizzazione fisica di un lago subglaciale antartico (per esempio, lago Concordia in Antartide); 2)simulazione numerica finalizzata all’accertamento e caratterizzazione di un lago subglaciale ad Amundsenisen (in Artico); 3) costruzione di un modello entalpico e del relativo codice per la rappresentazione di una rete idrografica sottostante le calotte polari.

SIMULAZIONE NUMERICA DI PROCESSI FISICI E BIOLOGICI IN UN BACINO ACQUATICO SUPERIORMENTE GHIACCIATO (dal 2008, resp. Daniela Mansutti), modulo di RSTL.
Questa ricerca riguarda i flussi di convezione alla Benard che si realizzano all’interno di uno strato orizzontale di acqua e dello strato sovrastante del suo ghiaccio. Infatti in quest’ultimo si distinguono la parte piu’ fredda conduttiva e la parte in moto convettivo. Considereremo l’applicazione di questo scenario fisico alla crosta ghiacciata del satellite gioviano, Europa, per il quale i dati raccolti dalle osservazioni da navicella spaziale indicano l’esistenza, al di sotto di essa, di un oceano di acqua che avvolge tutto il globo. Piu’ recentemente anche su Titano ed Encelado, satelliti di Saturno, sono state riscontrate condizioni analoghe. Quindi ci porremo in condizioni estreme e, valuteremo gli effetti legati al comportamento nonlineare (e bizzarro) dell’acqua (vedi, ad esempio, il legame fra pressione esercitata dal ghiaccio sull’ acqua sottostante e temperatura di fusione e temperatura di massima densita’). Adotteremo la modellistica matematico-numerica dei processi di transizione di fase liquido/solido e le equazioni dell’idrodinamica interfacciate con quelle di fluido non-newtoniano, per la descrizione delle due fasi.

MESSA A PUNTO DI METODICHE DIAGNOSTICHE INNOVATIVE DI IMAGING QUANTITATIVO, CONTROLLI DI QUALITA’ E SICUREZZA, OTTIMIZZAZIONE DI PIANI DI TRATTAMENTO (2005, resp. Umberto Amato), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Medicina
L’Istituto referente della commessa è l’IBB. La Diagnostica per immagini è strumento fondamentale della attuale medicina, sia per la sua ricaduta nella comprensione dei processi fisiologici e patologici, sia perché il continuo incremento di sensibilità delle sue metodiche consente diagnosi sempre più precoci ed accurate. Obiettivo generale della commessa è quello di produrre avanzamenti nell’ambito della tecnologia della Diagnostica per immagini e Radioterapia fornendo nuovi strumenti alla ricerca in medicina e alla clinica. Obiettivo particolare del modulo è lo sviluppo di metodi statistici di analisi quantitativa e di sintesi di immagini provenienti da varie modalità diagnostiche (RM, TC, PET, ecc..) da utilizzare sia per incrementare le conoscenze in Fisiopatologia, sia per la caratterizzazione ed il monitoraggio delle malattie.

APPROCCIO MULTIDISCIPLINARE PER LA DEFINIZIONE DI NETWORKS MOLECOLARI REGOLANTI TRATTI AD EREDITA’ MENDELIANA E MULTIFATTORIALE (2005, 2006, 2007, resp. Francesca Carfora), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Scienze della Vita
La ricerca riguarda l’identificazione di geni collegabili a patologie di elevato interesse sulla base di tratti quantitativi. Le tecniche statistiche di linkage utilizzano le informazioni raccolte sulla genealogia, salute ed analisi del DNA per comprendere l’associazione genetica con alcune patologie. In particolare si dimostrano molto utili gli studi condotti su popolazioni isolate come quella del Cilento (circa 10000 membri nella genealogia di cui oltre 1500 viventi). Identificare i pochi tratti importanti (tra i migliaia analizzati) sulla base di una limitata quantità di osservazioni è un problema prettamente statistico che richiede lo sviluppo di metodi per la selezione di modelli, test di ipotesi con controllo degli effetti dovuti alla molteplicità dei confronti, riduzione della dimensionalità e che tengano conto dei problemi legati alla complessità della popolazione sottostante.

ANALISI CELLULARE E MOLECOLARE DELLA RISPOSTA IMMUNITARIA INDOTTA DA VACCINI SINTETICI (2005, 2006,2007 resp. Antonia Vecchio), modulo della omonima commessa presso il Dipartimento di Scienze della Vita
Il sistema immunitario è esposto ripetutamente a molti antigeni in un ambiente normale, per cui negli organi linfoidi periferici i linfociti maturi si trovano a competere per la possibilità di espandersi nel corso della risposta immunitaria specifica, e di proliferare in risposta a fattori di crescita. In particolare il numero di linfociti T CD8 nella periferia linfoide (cioè nel sangue, linfa, milza e linfonodi) è tenuto costante da un equilibrio tra proliferazione e morte cellulare. La conoscenza delle cinetiche di proliferazione e morte delle cellule T CD8 della memoria è ancora in gran parte incompleta ed è molto importante per la progettazione razionale di validi protocolli di vaccinazione. In questo modulo, aggregando competenze di matematica applicata e di immunologia, ci si propone di sviluppare modelli matematici basati su equazioni differenziali ordinarie e/o integrali di Volterra per simulare la proliferazione dei linfociti T CD8 della memoria allo scopo sia di spiegare le cinetiche di espansione e morte di tali cellule osservate sperimentalmente, sia di fare delle previsioni sulla persistenza di una risposta immunitaria a lungo termine.

ASPETTI MODELLISTICI E COMPUTAZIONALI IN BIOMEDICINA (2007,2008 resp. Giuseppe Pontrelli), modulo della commessa “Biologia computazionale” del progetto interdipartimentale Bioinformatica.
Lo studio della modellistica matematica e della simulazione numerica in ambito biomedico sta conoscendo un forte impulso per l’utilizzo sempre crescente in medicina di strumenti tecnologici e potenzialita’ di calcolo e per il forte impatto sociale. In questo modulo si sviluppano modelli matematici per il flusso sanguigno in arterie e la perfusione di farmaci nei tessuti. Si studiano metodologie ed algoritmi orientati alla predizione qualitativa e quantitativa di processi biofluidodinamici che, validati sulla base di dati sperimentali, possano aumentare il livello di conoscenza dei fenomeni.
L’obiettivo e’ la simulazione del flusso sanguigno anche in presenze di geometrie complesse (stenosi, biforcazioni) o di impianti protesici (valvole, stents): i campi emodinamici sono d’ausilio nella progettazione di impianti endovascolari, di dispositivi di controllo e nell’ottimizzzione del rilascio di farmaci (drug-delivery), offrendo uno strumento alternativo e non invasivo per comprendere
alcuni fenomeni fisiologici e per diagnosticare stati patologici in fase precoce. I risultati delle ricerche possono avere una ricaduta applicativa nell’industria farmaceutica per la progettazione di stent medicati e nella bioingegneria per il design di protesi vascolari.

ALGORTIMI STATISTICI ORIENTATI AL GRID COMPUTING PER LA GENETICA (2006, resp. Claudia Angelini), modulo della commessa “Bioinformatica e modellistica molecolare” presso il Dipartimento di Progettazione Molecolare.
L’analisi dei dati di microarray si e’ rilevata molto utile sia per l’individuazione dei geni che svolgono un ruolo importante nelle patologie di origine genetica (attraverso l’individuazione dei ‘geni differenzialmente espressi’), sia per capire il meccanismo di regolazione di tali geni (attraverso l’individuazione dei loro siti di trascrizione). Recentemente sono stati proposti in letteratura diversi metodi statistici per l’analisi di dati di genomica orientati all’analisi di esperimenti ‘classici’. Tuttavia negli esperimenti il cui scopo e’ monitorare la variazione del profilo di espressione genica in funzione del tempo (come ad esempio lo studio dell’effetto genetico-temporale di un trattamento farmacologico su una cellula), la disponibilita’ all’interno della comunita’ scientifica di metodi statisticamente affidabili e/o efficienti e’ molto scarsa. In questo modulo si prevede lo sviluppo e l’implementazione su cluster e grid di una serie di metodi statistici innovativi particolarmente adatti a questo tipo di problema. Tali metodi saranno accessibili ai ricercatori a livello internazionale. Saranno anche sviluppati algoritmi statistici per la clusterizzazione e successivamente l’individuazione di siti di trascrizione di geni co-regolati atti aiutare la comprensione dei meccanismi di regolazione genetica.

SERVIZI APPLICATIVI PER IL TRATTAMENTO DI INFORMAZIONI E STRUTTURE COMPLESSE (2006,2007 resp. Gianfranco Mascari), modulo della commessa “Tecnologie e sistemi innovativi per la formazione e supporto tecnologico alle amministrazione pubbliche ed alle imprese” presso il Dipartimento di Materiali e Dispositivi.
Sviluppo di modelli e prototipi di servizi applicativi per il trattamento di informationi complesse e per strutture complesse. Applicazioni al Sistema Informativo del CNR.

ALGORTIMI STATISTICI ORIENTATI AL GRID COMPUTING PER LA GENETICA (2007, 2008 resp. Claudia Angelini), modulo della commessa “Metodi matematici e statistici per la genetica e la proteomica” del progetto interdipartimentale Bioinformatica.
L’analisi dei dati di microarray si è rilevata molto utile sia per l’individuazione dei geni che svolgono un ruolo importante nelle patologie di origine genetica (attraverso l’individuazione dei ‘geni differenzialmente espressi’), sia per capire il meccanismo di regolazione di tali geni (attraverso l’individuazione dei loro siti di trascrizione). Recentemente le attività del gruppo di ricerca sono state focalizzate allo sviluppo metodi statistici per monitorare la variazione del profilo di espressione genica in funzione del tempo (come ad esempio lo studio dell’effetto genetico-temporale di un trattamento farmacologico su una cellula). Sono stati sviluppati nuovi modelli ed i relativi software anche dotati di interfacce user friendly. Le versioni trial dei suddetti software sono disponibili presso gli autori ed accessibili ai ricercatori a livello internazionale. Le ricerche attualmente vertono sull’estensione delle metodologie proposte in contesti più generali e in particolare saranno sviluppati algoritmi statistici per la clusterizzazione e successivamente determinazione della rete di regolazione genica.

METODI BAYESIANI DI SELEZIONE DELLE VARIABILI CON APPLICAZIONI ALLA GENOMICA,(2007, 2008 resp. Claudia Angelini), modulo della omonima commessa di Ricerca a Tema Libero
La genetica è stata ed è tuttora in fase di grande e promettente evoluzione verso scoperte che possono aiutare nella comprensione, cura e prevenzione di molte patologie. Tuttavia pone alle scienze matematiche, statistiche ed informatiche una nuova ed importante sfida dovuta alla grande quantità di dati che sono coinvolti e che devono essere di volta in volta analizzati ed interpretati. L’obiettivo delle presente ricerca è fornire un contributo innovativo metodologico ed applicativo in questa direzione. In particolare recenti lavori mostrano che i metodi Bayesiani per la selezione delle variabili si sono dimostrati molto utili anche per applicazioni al caso di dati da microarray dove p>>n dove p rappresenta il numero di variabili ed n il numero di campioni. Tuttavia i metodi fino ad ora proposti sono spesso caranti di una approfondita validazione matematica. Questa unita’ di ricerca si occupa di sviluppare tali metodi (e piu’ in generale i metodi per la selezione dei modelli) soprattutto da un punto di vista statistico-metodologico. Parallelamente l’unita’ di ricerca proporra’ l’applicazione dei metodi sviluppati a problemi reali, come ad esempio la determinazione dei siti di trascrizione di geni coregolati in specie simili.

TRASMISSIONE DI SEGNALI INTRACELLULARI (2008, 2009 resp. Roberto Natalini) modulo della commessa “Metodi matematici e statistici per la genetica e la proteomica” presso il Dipartimento ICT
Il modulo si propone lo sviluppo di modelli matematici discreti e continui della trasmissione di segnali intracellulari nel citoplasma e nel nucleo. Alcune reti di particolare rilevanza saranno studiate ed in particolare il ciclo della Ran, e il modulo della MAPK. Per questi segnali saranno studiati modelli che tengano conto della propagazione spaziale dei segnali, e verranno eseguite simulazioni numeriche per confrontarli con i dati sperimentali.

MODELLI MATEMATICI PER LA MOBILITA’ SOSTENIBILE (2009 resp. Roberto Natalini) modulo della commessa “Informatica, ricerca operativa e modelli matematici per la mobilità sostenibile” presso il Dipartimento Energia e Trasporti
1) Traffico urbano su reti. Sviluppo di modelli fluidodinamici che permettono di simulare dinamicamente l’intera rete urbana. 2) Valutazione del danno chimico sulla superficie dei monumenti tramite modelli differenziali e simulazioni numeriche. 3) Modelli matematici in fluidodinamica e gasdinamica. Simulazione delle emissioni dei motori nelle marmitte catalitiche e in ambiente aperto.

SEGMENTAZIONE DI IMMAGINI SAR MEDIANTE METODO LEVEL SET, (2009 resp. Rossella Cossu), modulo della commessa “Sviluppo di tecnologie per la generazione, il trattamento e l’interpretazione di immagini e dati telerilevati della superficie terrestre” presso il Dipartimento di Terra e Ambiente.
E’ noto che la segmentazione di immagini rappresenta un passo cruciale nel processo di interpretazione delle immagini stesse. A causa della presenza di speckle, modellato come un forte rumore moltiplicativo, la segmentazione di immagini SAR (Synthetic Aperture Radar) rappresenta un problema molto complesso. L’attività di ricerca del presente modulo è focalizzata alla segmentazione di immagini SAR mediante il metodo level set per l’estrazione di linee di costa. Il level set applicato alla segmentazione di immagini consiste nell’identificazione di una area di interesse come livello zero di una funzione implicita che evolve in accordo ad un modello differenziale a derivate parziali fino a raggiungere il contorno della regione da estrarre.