Publication

Data-driven whole mouse brain modeling for multi-scale simulations

Résumé

In this thesis, we present a data-driven iterative pipeline to generate, simulate and validate point-neuron models of the whole mouse brain. The ultimate goal is to replicate close loop experiments with a virtual body in a virtual world. This pipeline was origi-nally created by a PhD student of the Blue Brain Project and this pioneer work has yielded the first versions of the model and their simulations. My objective is to refine, extend and consolidate the previous version of the workflow and in particular to extend the repertoire of neuron types by integrating and consolidating available literature data.The pipeline has four main parts. First, we define a pair of reference atlases to create a spatial reference for every dataset that we want to integrate. Second, we create a cell atlas with estimates of the number and density of the major cell types in each brain region. Then, we build a connectivity atlas that describes the connections of each neuron of the mouse brain and their properties. Finally, we assign point-neuron parameters to each of the neuron types, and synaptic parameters to each of the connection types of our model to obtain a point-neuron network of the mouse brain. This network can be simulated to perform mouse brain experi-ments in-silico.In this thesis, we evaluate the quality of the different reference atlases, released by the Allen Institute for Brain Science and pro-vide methods to mitigate the impact of artifacts in the original images. We further extend the cell atlas with density estimates of more inhibitory neuron types. To do so, we introduce a new method to combine estimates of inhibitory neuron counts from the literature into a consistent framework. We also estimate inhibitory neuron density in regions where no literature data are avai-lable, using collected literature estimates and gene expression data from in situ hybridization image stacks. Our approach can be further extended to other cell types and provides a resource to build more detailed circuits of the mouse brain. Next, we refine the connectivity atlas, including literature findings on short-range connectivity. Additionally, we construct a database to store data collected on neuron types point-neuron parameters and synaptic parameters. With the results of the previous steps, we generate a new version of the whole mouse brain point-neuron network. We tested this new model against its previous version using three benchmark experiments. We explore the possibility to embed and connect detailed circuit reconstructions of the mouse brain to our point neuron model and co-simulate them. Finally, we constrain a 3D skeleton model of the mouse with joint constraints from the literature and attach muscle to its bones to create a musculoskeletal model of the mouse body that can be simulated in close-loop with our model to reproduce motor control experiments.

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Concepts associés (32)
Blue Brain
Le projet Blue Brain (littéralement « cerveau bleu ») a pour objectif de créer un cerveau synthétique par processus de rétroingénierie. Fondé en mai 2005 à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse, ce projet étudie l'architecture et les principes fonctionnels du cerveau. Il a été étendu, en 2013, au Human Brain Project (HBP), également dirigé par Henry Markram, mais financé principalement par l'UE. Le projet Blue Brain semble être au fondement d'un projet plus vaste, qui consiste à étudier le cerveau par des simulations de grande échelle (« Simulation Neuroscience »).
Modèles du neurone biologique
vignette|390x390px|Fig. 1. Dendrites, soma et axone myélinisé, avec un flux de signal des entrées aux dendrites aux sorties aux bornes des axones. Le signal est une courte impulsion électrique appelée potentiel d'action ou impulsion. vignette|Figure 2. Évolution du potentiel postsynaptique lors d'une impulsion. L'amplitude et la forme exacte de la tension peut varier selon la technique expérimentale utilisée pour acquérir le signal.
Cerveau
vignette|Cerveau d'un chimpanzé. Le cerveau est le principal organe du système nerveux des animaux bilatériens. Ce terme tient du langage courant (non scientifique) et chez les chordés, comme les humains, il peut désigner l'encéphale, ou uniquement une partie de l'encéphale, le prosencéphale (télencéphale + diencéphale), voire seulement le télencéphale. Néanmoins, dans cet article, le terme « cerveau » prend son sens le plus large. Le cerveau des chordés est situé dans la tête, protégé par le crâne chez les craniés, et son volume varie grandement d'une espèce à l'autre.
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