Full-scale model of the cerebellar flocculus mapped on the Allen brain atlas

Understanding the brain is one the most relevant challenges for medical progress. The Human Brain Project (HBP) is a European Flagship project, combining multiple disciplines to address this challenge in a comprehensive way. Nowadays, it is not fully explained how interactions at different spatial and temporal scales can generate human brain functions. A brain model can in principle allow to investigate this, making possible to manipulate different elements and suggest or test hypotheses to be evaluated in experiments. Among all brain areas, the Cerebellum has a long history of modelling, which is currently advancing also within HBP. In this scenario, in the present thesis’s Project, a full-scale spiking model of an area of the mouse Cerebellum, the Flocculus, is developed, through a full data-driven approach. The model provides innovation in two main aspects. Firstly, it is mapped on the real shape of this region. Indeed the state of the art of Cerebellum modelling is based on scaffold models representing cubic sample volumes of the Cerebellum. Moreover, a new type of cell, often neglected in previous cerebellar network models, was included: the Unipolar Brush Cell (UBC). Many aspects support the key role of UBCs in Floccular vestibular functions. The here proposed workflow could be generalized to other Cerebellar regions up to the reconstruction of the entire mouse Cerebellum. Future modelling of the other brain areas, will allow to analyse the whole brain dynamics. Looking ahead, the final aim is the translation from mouse-based models to human-based brain models. A mapped human brain model will constitute a powerful tool to investigate physiological and pathological conditions.

La medicina moderna considera la comprensione del cervello umano quale uno dei più considerevoli e sfidanti argomenti trattati dalla ricerca scientifica. In tale contesto, lo Human Brain Project (HBP) è uno dei più consistenti e strutturati progetti di ricerca attuali a livello europeo. Attualmente la ricerca scientifica non è in grado di spiegare completamente come le interazioni molecolari possano generare attività basilari perpetuate dal cervello umano. In quest’ottica la modellazione cerebrale consente di studiare come si sviluppino le funzioni eseguite dal cervello, avendo come base un’analisi effettuata a livello molecolare. Tra tutte le aree del cervello, il Cervelletto è tra quella con la maggiore storia in termini di modellizzazione. Esso rappresenta una delle strutture più importanti all’interno del sistema nervoso, implicata in numerose funzioni motorie e cognitive. In questo scenario, in questo Progetto di Tesi viene sviluppato un modello in scala reale di un’area del Cervelletto, il Flocculus, ricostruito attraverso un approccio completamente basato sui dati. Il modello è innovativo su due fronti. Esso viene mappato sulla forma reale di questa specifica regione. Infatti, lo stato dell’arte della modellazione del Cervelletto si basa su modelli scaffold, rappresentati campioni di volume cubici del Cervelletto. Inoltre, nel modello è stato incluso un tipo neuronale, spesso trascurato nei precedenti modelli di rete atti a rappresentare il Cervelletto: la Unipolar Brush Cell (UBC). Molti aspetti lasciano presagire che questi neuroni possano avere un ruolo centrale nel funzionamento del Flocculus. Il flusso di lavoro qui proposto potrebbe essere generalizzato ad altre regioni cerebellari e cerebrali. Ciò consentirà di analizzare le dinamiche circuitali nell’intero cervello. L’obiettivo ultimo sarà il passaggio a modelli di cervello mappati su dati umani: un tale modello andrebbe a costituire un potente strumento per analizzare condizioni cerebrali fisiologiche e patologiche.