Computational study of resting state network dynamics

Lo scopo di questa tesi è quello di mostrare, attraverso una simulazione con il software The Virtual Brain, le più importanti proprietà della dinamica cerebrale durante il resting state, ovvero quando non si è coinvolti in nessun compito preciso e non si è sottoposti a nessuno stimolo particolare. Si comincia con lo spiegare cos’è il resting state attraverso una breve revisione storica della sua scoperta, quindi si passano in rassegna alcuni metodi sperimentali utilizzati nell’analisi dell’attività cerebrale, per poi evidenziare la differenza tra connettività strutturale e funzionale. In seguito, si riassumono brevemente i concetti dei sistemi dinamici, teoria indispensabile per capire un sistema complesso come il cervello. Nel capitolo successivo, attraverso un approccio ‘bottom-up’, si illustrano sotto il profilo biologico le principali strutture del sistema nervoso, dal neurone alla corteccia cerebrale. Tutto ciò viene spiegato anche dal punto di vista dei sistemi dinamici, illustrando il pionieristico modello di Hodgkin-Huxley e poi il concetto di dinamica di popolazione. Dopo questa prima parte preliminare si entra nel dettaglio della simulazione. Prima di tutto si danno maggiori informazioni sul software The Virtual Brain, si definisce il modello di network del resting state utilizzato nella simulazione e si descrive il ‘connettoma’ adoperato. Successivamente vengono mostrati i risultati dell’analisi svolta sui dati ricavati, dai quali si mostra come la criticità e il rumore svolgano un ruolo chiave nell'emergenza di questa attività di fondo del cervello. Questi risultati vengono poi confrontati con le più importanti e recenti ricerche in questo ambito, le quali confermano i risultati del nostro lavoro. Infine, si riportano brevemente le conseguenze che porterebbe in campo medico e clinico una piena comprensione del fenomeno del resting state e la possibilità di virtualizzare l’attività cerebrale

Clarification and complement to "Mean-field description and propagation of chaos in networks of Hodgkin-Huxley and FitzHugh-Nagumo neurons"

In this note, we clarify the well-posedness of the limit equations to the mean-field $N$-neuron models proposed in Baladron et al. and we prove the associated propagation of chaos property. We also complete the modeling issue in Baladron et al. by discussing the well-posedness of the stochastic differential equations which govern the behavior of the ion channels and the amount of available neurotransmitters

GeNN: a code generation framework for accelerated brain simulations

Large-scale numerical simulations of detailed brain circuit models are important for identifying hypotheses on brain functions and testing their consistency and plausibility. An ongoing challenge for simulating realistic models is, however, computational speed. In this paper, we present the GeNN (GPU-enhanced Neuronal Networks) framework, which aims to facilitate the use of graphics accelerators for computational models of large-scale neuronal networks to address this challenge. GeNN is an open source library that generates code to accelerate the execution of network simulations on NVIDIA GPUs, through a flexible and extensible interface, which does not require in-depth technical knowledge from the users. We present performance benchmarks showing that 200-fold speedup compared to a single core of a CPU can be achieved for a network of one million conductance based Hodgkin-Huxley neurons but that for other models the speedup can differ. GeNN is available for Linux, Mac OS X and Windows platforms. The source code, user manual, tutorials, Wiki, in-depth example projects and all other related information can be found on the project website http://genn-team.github.io/genn/