Nitric oxide diffusive plasticity model in cerebellar SNN

Nitric Oxide (NO) is an essential molecule involved in the synaptic plasticity of many areas of the brain and in neurovascular coupling. Furthermore, NO is known to be present in the cerebellum, both in the Granular and the Molecular layers. It is certain that Nitric Oxide has an enabling function on the plasticity mechanisms at this level, but other functional roles are not yet clarified. So far, NO functional roles in plasticity mechanisms have been extensively studied both by experiments and mathematical models of single cells by neuroscientists, but it has not been included in extit{in silico} simulations of large spiking neural networks (SNN). The current research project aims at improving the study of cerebellum functional roles by developing an extensive neural network model of the cerebellum cortex microcircuit. The model is further embedded with experimental results of Nitric Oxide role from extit{in vivo} and extit{in vitro} protocols, which would drive new findings and hypotheses about cerebellum functional roles, starting from the study at the molecular and biochemical level. Starting from an existing Nitric Oxide Simulator, already developed at the hosting lab, the Neuroengineering and Medical Robotics Nearlab, this work expands by implementing it into a large-scale SNN of the cerebellum cortex microcircuit. After the Neural Network setting the Nitric Oxide production and diffusion are related to plasticity mechanisms in the Purkinje Cell dendritic tree, as both sites of NO functioning and crucial synaptic point of the microcircuit. Furthermore, at every cell and synapse are given precise geometrical coordinates, in order to model with the developed SNN both electrophysiological and geometrical features. Once we established the correct functioning of the simulator and we set a value of NO concentrations for plasticity enabling, we proceeded with the replication of three experimental protocols found in the literature and compared the results. The expected result is a novel model for cerebellum activity, crowned by a practical platform to simulate Nitric Oxide's role in different use cases. This computational model presents itself as a useful and simple tool to simulate the functional role of Nitric Oxide in the Purkinje Cell synapse. Furthermore, it leaves future hypotheses to be acknowledged about NO-dependent pathways and serves as starting point for future models aiming at representing the cerebellum both from a geometrical and functional point of view.

L'ossido nitrico (NO) è una molecola essenziale coinvolta nella plasticità sinaptica di molte aree del cervello e con funzionalità in ambito neurovascolare. Inoltre, è noto che l'NO è presente nella corteccia del cervelletto, sia nello strato granulare che in quello molecolare. Inoltre, è risaputo che l'ossido nitrico ha una funzione abilitante sui meccanismi di plasticità a questo livello, mentre altri ruoli funzionali non sono ancora stati chiariti. Finora, i ruoli funzionali del NO nei meccanismi di plasticità sono stati ampiamente studiati dai neuroscienziati sia con esperimenti che con modelli matematici di singole cellule, ma non sono stati inclusi nelle simulazioni in silico di reti neurali spiking di grandi dimensioni (SNN). Lo scopo del presente progetto di tesi è quello di migliorare lo studio dei ruoli funzionali del cervelletto sviluppando un modello di rete neurale del microcircuito della corteccia cerebellare. Il modello è ulteriormente integrato con la geometria fisiologica del microcircuito e con i risultati sperimentali sul ruolo dell'ossido nitrico ottenuti con protocolli in vivo e in vitro, che potranno portare a nuove scoperte e ipotesi sui ruoli funzionali del cervelletto, partendo dallo studio a livello molecolare e biochimico. Partendo da un simulatore di ossido nitrico esistente, sviluppato presso il laboratorio ospitante, il Neuroengineering and Medical Robotics Nearlab, questo lavoro si espande implementandolo in una SNN del microcircuito della corteccia cerebellare. Dopo l'impostazione della rete neurale, la produzione e la diffusione dell'ossido nitrico sono correlate ai meccanismi di plasticità nell'albero dendritico delle cellule di Purkinje, in quanto siti di funzionamento dell'NO e punto sinaptico cruciale del microcircuito. Inoltre, a ogni cellula e sinapsi sono state date precise coordinate geometriche, al fine di modellare sia le caratteristiche elettrofisiologiche che quelle geometriche. Una volta stabilito il corretto funzionamento del simulatore e impostato il valore delle concentrazioni di NO per l'attivazione della plasticità, abbiamo attuato la replica di tre protocolli sperimentali presenti in letteratura e confrontato i risultati. Il risultato atteso è un nuovo modello per l'attività del cervelletto, coronato da una piattaforma pratica per simulare il ruolo dell'ossido nitrico in diversi casi d'uso. Questo modello computazionale si presenta come uno strumento utile e semplice per simulare il ruolo funzionale dell'ossido nitrico nella sinapsi delle cellule del Purkinje. Inoltre, lascia spazio a future ipotesi sui percorsi NO-dipendenti e serve come punto di partenza per futuri modelli volti a rappresentare il cervelletto sia da un punto di vista geometrico che funzionale.