A computational framework to study cerebellar involvement in multisensory integration

The human brain is a very complex structure, and its behavior still has to be fully understood and described. Many models have contributed to explain part of it, and some are actually able to describe some of its functions. Among all their tasks, the brain and the nervous system are in charge of integrating the stimuli that we perceive from the surrounding environment. In particular, the process of integrating inputs coming from different senses is called multisensory integration. Its final goal is to develop a complete picture of the world around us. A recent clinical experiment was performed on a patient who suffers from cerebellar agenesis. The comparison of his behavior with that of a control group suggested that the cerebellum might be involved in the process of multisensory integration. This work aims to computationally replicate the behavior of both the acerebellar patient and the control group. By modeling the two systems in silico, the clinical experiments could be replicated multiple times, in order to try and generalize the results. The brain models were developed with Spiking Neural Networks (SNN) thanks to NEST, a SNN simulator. This experiment was run thanks to a newly developed framework, which supports the automatic execution of multiple simulations with various network configurations or varying input parameters. In order to further simplify the usage of such framework, we also developed a web-based graphical user interface (GUI), so that researchers can use it even with no programming experience. The model results that we obtain reflect the clinical ones, thus suggesting that the cerebellum does in fact have a central role in multisensory integration. On one hand, this thesis achieves its primary goal to computationally prove the role of the cerebellum in the process of multisensory integration. On the other hand, it paves the way for testing in silico models that explain the capabilities and functionalities of the brain, thanks to the pipeline offered by the framework and GUI that were specifically implemented in this thesis for such purpose.

La mente umana è una struttura molto complessa, il cui comportamento non è ancora stato compreso nella sua totalità. Molti modelli hanno contribuito a descriverlo parzialmente, e alcuni sono stati effettivamente in grado di descrivere alcune delle sue funzioni. Tra tutti i suoi altri compiti, la mente e il sistema nervoso sono responsabili dell'integrazione degli stimoli che riceviamo dal mondo che ci circonda. In particolare, il processo di integrazione degli input che riceviamo dai diversi sensi si chiama integrazione multisensoriale. Il suo fine ultimo è quello di creare una rappresentazione completa del mondo che ci circonda. Un recente esperimento clinico ha analizzato un paziente che soffre di agenesi cerebellare. Il suo comportamento è stato confrontato con quello di un gruppo di controllo, e i risultati suggeriscono che il cervelletto potrebbe prendere parte al processo di integrazione multisensoriale. Questo lavoro ha come obiettivo principale la replicazione in silico del comportamento del paziente acerebellare e del gruppo di controllo. Creando dei modelli computazionali dei due sistemi, è stato possibile replicare gli esperimenti clinici numerose volte, al fine di generalizzarne i risultati. I modelli del cervello e del cervelletto sono stati sviluppati con le reti neurali spiking (SNN) grazie a NEST, un simulatore di SNN. Gli esperimenti sono stati eseguiti grazie ad un nuovo framework, che supporta l'esecuzione automatica di molteplici simulazioni con varie configurazioni delle reti e parametri di input che possono cambiare. Al fine di semplificare ulteriormente l'utilizzo di questo framework, abbiamo sviluppato anche un'interfaccia grafica web, in modo che anche i ricercatori senza esperienza di programmazione possano utilizzarla. I risultati numerici che abbiamo ottenuto riflettono quelli clinici, e questo suggerisce che effettivamente il cervelletto abbia un ruolo centrale nel processo di integrazione multisensoriale. Da un lato, questa tesi raggiunge l'obiettivo principale di dimostrare computazionalmente il ruolo del cervelletto nell'integrazione multisensoriale. Dall'altro lato, pone le basi per testare modelli in silico che spieghino le potenzialità e funzionalità del cervello, grazie alla pipeline che viene offerta dal framework e dalla GUI che sono stati implementati in questa tesi specificatamente per tale scopo.