Reconstruction of a multimodular cerebellar spiking neural network for modelling mid-range signal propagation in the cerebellar cortex

Modelling and simulations are precious tools in neuroscience, since they allow to investigate the brain in an unprecedented way. Spiking neural networks in particular are an outstanding way to model the brain since they allow a tuneable level of detail in the computational models. The cerebellum is a very interesting region for modelling and for this reason several studies have involved the construction of cerebellar spiking neural networks and their use in simulations either alone or paired with robots. However, up to now only single-module cerebellar networks have been built and investigated. This project consists in the creation of a multimodular cerebellar spiking neural network, because its multimodular nature should be taken into account to deeply understand how the cerebellum performs its functions. The fibers that transmit the signal along the cerebellar cortex are the parallel fibers. Their efficiency in signal transmission has been long debated and the different theories in this context fall under the so called patch-vs-beam hypothesis, which will be presented in these pages. The multimodular cerebellar network here presented was built employing the Brain Scaffold Builder framework and dedicated functions for building multimodular networks have been implemented. The model features two modules representing two regions of the cerebellar cortex, the Ansiform lobule and the Culmen, lying beside and connected through the parallel fibers. The network was then employed in simulations using the publicly available simulator NEST. The protocol for the stimulation was derived from a literature work which investigated the spread of signals in the cerebellar cortex. The connectivity data to set up the parameters of the multimodular network have been gathered from Allen mouse Brain Connectivity Atlas. The results of the simulations shows that in the network the signals propagate as expected from the literature reference. The multimodular network here presented could be interesting for future researches: it could be inserted in whole brain simulation or employed in simulations with more complex stimulation protocols.

L’uso di modelli e le simulazioni sono strumenti estremamente rilevanti nell’ambito delle neuroscienze, perchè permettono di investigare il cervello in un modo senza precedenti. Le reti neurali spiking in particolare sono un metodo d’elezione per la modellizzazione del cervello, dal momento che permettono di costruire modelli computazionali con un livello di dettaglio modulabile a seconda delle applicazioni. Il cervelletto è una regione interessante dal punto di vista dei modelli computazionali; molti studi finora hanno riguardato la costruzione di reti neurali cerebellari spiking per usarle da sole in simulazioni o accoppiate con attuatori robotici. Per ora però sono state sviluppate e studiate soltanto reti cerebellari spiking composte da un singolo modulo, mentre per approfondire la conoscenza di come il cervelletto esplica le sue funzioni sta diventando sempre più fondamentale considerarne la natura multimodulare. Le fibre che trasmettono i segnali lungo la corteccia cerebellare sono le parallel fibers. La loro efficienza nel trasmettere i segnali tra diversi moduli è stata a lungo dibattuta e le diverse posizioni in questo contesto teorico sono riassunte dall’ipotesi patch-vs-beam che verrà presentata in queste pagine. La rete illustrata nel presente progetto è stata costruita impiegando il framework per la costruzione di spiking neural networks The Brain Scaffold Builder e nuove funzioni dedicate alla costruzione di reti multimodulari sono state integrate tra quelle già presenti. Il modello costruito è composto da due moduli rappresentanti due regioni della corteccia cerebellare, L’Ansiform Lobule e il Culmen, giacenti uno accanto all’altro e connessi dalle parallel fibers. La rete è stata impiegata in simulazioni utilizzando il simulatore NEST, disponibile pubblicamente. Il protocollo per la stimolazione è stato derivato dalla letteratura riguardante la diffusione di stimoli lungo la corteccia cerebellare, mentre i valori di connettività usati per compilare i parametri della rete multimodulare sono stati ottenuti dall’Allen Mouse Brain Connectivity Atlas. I risultati delle simulazioni mostrano che nella rete multimodulare i segnali si propagano in modo coerente a quanto emerge dalla letteratura di riferimento. La rete multimodulare qui presen- tata potrà essere interessante per future ricerche: potrebbe essere inserita in simulazioni whole-brain o impiegata in simulazioni che prevedano un protocollo di stimolazione più complesso.