A bottom-up network model of sleep-spindle dynamics in the mouse motor Thalamus

Sleep spindles are thalamocortical oscillations in the 7–15 Hz band, characterized by a waxing-and-waning amplitude envelope during non-REM sleep. They are involved in memory consolidation, sleep stabilisation, and thalamocortical communication. Two questions motivate this thesis: how the spindle envelope is generated, and how the spatial structure of the thalamoreticular circuit shapes coherence, propagation, and population recruitment. This thesis addresses these questions by building and analysing a spatially extended model of the isolated mouse motor thalamus on a three-dimensional anatomical scaffold. The model contains 56,321 adaptive exponential integrate-and-fire (AdEx) neurons, divided into thalamocortical relay (TC) cells and reticular (RE) cells. Validation is performed from the bottom up. At the single-cell level, TC and RE models are tested for input–output behaviour and post-inhibitory rebound. At the reduced-circuit level, a reciprocal pair and a four-neuron motif show that rhythm frequency is mainly set by the inhibitory decay time constant, whereas coherence depends on coupling structure. At the anatomical level, connectivity analysis shows broad inhibitory convergence from RE to TC cells, making TC recruitment sensitive to relay rebound gain. The main network result is the published full-scale scaffold. In the validated reference, the intact scaffold sustains spindle-like oscillations around 11 Hz, with TC–RE phase locking, a thalamocortical lead, and slow saltatory propagation. Reference ablations show that distance-dependent synaptic weight scaling and topography are both required for physiological scaffold dynamics: weight scaling constrains excessive recruitment, while topography supports coherent propagation. Complementary short-duration diagnostic simulations extend this interpretation using the same isolated full TC–RE scaffold under controlled matched-coupling conditions. They do not define a separate biological preparation or a reduced RE-only network; rather, they test how topology, distance-dependent delays, and distance-dependent weights shape the intact scaffold. These simulations show that spatial structure coordinates the reticular component of the rhythm. TC recruitment remains weak in this restricted protocol, identifying sensitivity to relay rebound gain and operating regime rather than a failure of the full isolated scaffold. The model also shows a waxing-and-waning amplitude envelope in the restricted sense of amplitude modulation within a self-sustained oscillation. It does not reproduce full spindle episode termination or recurrence because the slow mechanisms required for those dynamics are not included, including hyperpolarisation-activated currents, metabotropic inhibition, short-term synaptic depression, corticothalamic feedback, and neuromodulation. The thesis provides an anatomically grounded platform for the next step: quantifying the envelope, aggregating the factorial conditions across seeds, completing the topographic comparison at fixed coupling, and adding slow biological mechanisms that separate per-cycle rebound from episode termination.

I fusi del sonno sono oscillazioni talamocorticali nella banda 7–15 Hz, caratterizzate da un inviluppo di ampiezza crescente e decrescente durante il sonno non-REM. Sono coinvolti nel consolidamento della memoria, nella stabilizzazione del sonno e nella comunicazione talamocorticale. Due domande motivano questa tesi: come venga generato l'inviluppo del fuso e come la struttura spaziale del circuito talamoreticolare modelli la coerenza, la propagazione e il reclutamento della popolazione. Questa tesi affronta tali domande costruendo e analizzando un modello spazialmente esteso del talamo motorio isolato di topo su un'impalcatura anatomica tridimensionale. Il modello contiene 56.321 neuroni integrate-and-fire esponenziali adattativi (AdEx), suddivisi in cellule di relè talamocorticali (TC) e cellule reticolari (RE). La validazione è condotta dal basso verso l'alto. A livello di singola cellula, i modelli TC e RE sono testati per il comportamento ingresso–uscita e il rimbalzo post-inibitorio. A livello di circuito ridotto, una coppia reciproca e un motivo a quattro neuroni mostrano che la frequenza del ritmo è determinata principalmente dalla costante di tempo di decadimento inibitorio, mentre la coerenza dipende dalla struttura di accoppiamento. A livello anatomico, l'analisi della connettività mostra un'ampia convergenza inibitoria dalle cellule RE alle cellule TC, rendendo il reclutamento TC sensibile al guadagno di rimbalzo del relè. Il principale risultato di rete è l'impalcatura a piena scala pubblicata. Nel riferimento validato, l'impalcatura intatta sostiene oscillazioni simili a fusi intorno agli 11 Hz, con aggancio di fase TC–RE, un anticipo talamocorticale e una lenta propagazione saltatoria. Le ablazioni di riferimento mostrano che sia la scalatura dei pesi sinaptici in funzione della distanza sia la topografia sono necessarie per una dinamica fisiologica dell'impalcatura: la scalatura dei pesi limita il reclutamento eccessivo, mentre la topografia supporta una propagazione coerente. Simulazioni diagnostiche complementari di breve durata estendono questa interpretazione utilizzando la stessa impalcatura TC–RE isolata a piena scala in condizioni controllate di accoppiamento appaiato. Non definiscono una preparazione biologica distinta né una rete ridotta composta solo da RE; testano invece come topologia, ritardi dipendenti dalla distanza e pesi dipendenti dalla distanza modellino l'impalcatura intatta. Queste simulazioni mostrano che la struttura spaziale coordina la componente reticolare del ritmo. Il reclutamento TC rimane debole in questo protocollo ristretto, indicando una sensibilità al guadagno di rimbalzo del relè e al regime operativo, piuttosto che un fallimento dell'impalcatura isolata a piena scala. Il modello mostra inoltre un inviluppo di ampiezza crescente e decrescente nel senso ristretto di modulazione di ampiezza all'interno di un'oscillazione auto-sostenuta. Non riproduce la completa terminazione dell'episodio di fuso né la sua ricorrenza, poiché i meccanismi lenti necessari per tali dinamiche non sono inclusi, tra cui le correnti attivate dall'iperpolarizzazione, l'inibizione metabotropica, la depressione sinaptica a breve termine, il feedback corticotalamico e la neuromodulazione. La tesi fornisce una piattaforma anatomicamente fondata per il passo successivo: quantificare l'inviluppo, aggregare le condizioni fattoriali su più seed, completare il confronto topografico a parità di accoppiamento e aggiungere i meccanismi biologici lenti che separano il rimbalzo per ciclo dalla terminazione dell'episodio.