Replicability of computational neuroscience studies

Introduction: In the last years, important published findings in social, behavioral and biomedical fields have been hardly replicated by scientific community, a fact that has lead to the conception of an emerging reliability crisis in those fields. This situation should be taken as an opportunity to work and rethink some crucial fronts, what could lead to significant and necessary reforms in scientific practice. Computational neuroscience is not an exception to this situation, so it is important to implement measures among which we could find the increase on independent replication and reproduction of published models. Objective: The aim of the thesis is to replicate the recurrent neural circuit model described by Wang in order to verify the results claimed by the original author. The network, based on slow synaptic reverberation mediated by NMDA receptors and winner-take-all competition mediated by feedback inhibition, should be capable of showing the ramping time course of activity, the divergence between the two neural groups and the persistence of activity during the delay period, characteristic of the decision-making circuit under study. Materials and methods: Three different models implemented within the NEST simulator have been tested, with different parameters configurations, in order to replicate the results obtained with the Brian implementation of Wang's network. Results: One of the three models has been able to reproduce the most important features of the reference network, establishing a good foundation to achieve a network replication as accurate as possible. Discussion: The improvement in the results obtained with the third model with respect to its predecessors may be due to the possibility to model excitatory and inhibitory synapses with both rise and decay time constants, that allows a better implementation of the slow reverberation mediated by NMDA receptors. Anyway, problems such as the impossibility of implementing two different receptors for the same type of synapses or the difficulty to model the strong non linearity of NMDA current with respect to voltage, are aspects that will need to be addressed in order to improve network performance.

Introduzione: Negli ultimi anni, importanti scoperte pubblicate nei campi sociale, comportamentale e biomedico sono state difficilmente replicate dalla comunità scientifica, un fatto che ha portato alla concezione di una crisi di affidabilità emergente in quei campi. Questa situazione dovrebbe essere colta come un'opportunità per lavorare e ripensare alcuni fronti cruciali, cosa che potrebbe portare a riforme significative e necessarie nella pratica scientifica. La neuroscienza computazionale non è un'eccezione a questa situazione, quindi è importante implementare misure tra le quali potremmo trovare l'aumento sulla replica indipendente e sulla riproduzione dei modelli pubblicati. Obiettivo: Lo scopo della tesi è replicare il modello di circuito neurale ricorrente descritto da Wang al fine di verificare i risultati rivendicati dall'autore originale. La rete, basata su una lenta riverberazione sinaptica mediata dai recettori NMDA e sulla competizione "winner-take-all" mediata dall'inibizione del feedback, dovrebbe essere in grado di mostrare l'andamento temporale dell'attività, la divergenza tra i due gruppi neurali e la persistenza dell'attività durante il periodo di ritardo, caratteristico del circuito decisionale in esame. Materiali e metodi: Sono stati testati tre diversi modelli implementati all'interno del simulatore NEST, con diverse configurazioni di parametri, al fine di replicare i risultati ottenuti con l'implementazione di Brian della rete di Wang. Risultati: Uno dei tre modelli è stato in grado di riprodurre le caratteristiche più importanti della rete di riferimento, creando una buona base per ottenere una replica della rete il più accurata possibile. Discussione: Il miglioramento dei risultati ottenuti con il terzo modello rispetto ai suoi predecessori può essere dovuto alla possibilità di modellare sinapsi eccitatorie e inibitorie con costanti di tempo sia di salita che di decadimento, che permette una migliore implementazione del riverbero lento mediata dai recettori NMDA. Tuttavia, problemi come l'impossibilità di implementare due diversi recettori per lo stesso tipo di sinapsi o la difficoltà di modellare la forte non linearità della corrente NMDA rispetto alla tensione, sono aspetti che dovranno essere affrontati per migliorare le prestazioni della rete.