The cerebellum is a structure of the central nervous system typically associated to motor control, in particular in learning and coordination of movements. However, recent studies have shown its involvement also in higher cognitive processes such as attention, language, memory and reasoning. Therefore, an in-depth investigation into the functioning of the cerebellar network and its level of complexity was needed: in particular, the purpose of this thesis is to reconstruct the functioning of the entire cerebellar network in response to different types of input. In fact, a comprehensive study of the cerebellar response to inputs in various frequency ranges is currently missing and requires an experimental evaluation. In this study, a high-density multi-electrode array system (HD-MEA) was used, capable of investigating neuronal activity with high spatial and temporal resolution. This latest generation technology is characterized by 4096 electrodes that record neuronal activity simultaneously and for this reason opens a new perspective in the study of the functioning of ex-vivo neuronal networks. In detail, this thesis focused on the effect of stimulation of mossy fibers on the activity of Purkinje cells in sagittal and coronal slices of the mouse cerebellum. The mossy fibers were stimulated at different frequencies (6Hz, 20Hz, 50Hz and 100Hz) in order to simulate different states of activity, evaluating the response of the entire circuit to different types of inputs. The simultaneous activation of granular and molecular layers has been described in detail, focusing on the propagation of the response in the cerebellar cortex and its frequency-dependence. By recording the activity of granules and Purkinje cells both in sagittal and coronal slices, it was possible to study the understanding of two pathways involved in the elaboration of inputs within the cerebellar cortex: the pathway mossy fibers-granule cells-ascending axons- Purkinje cells and the pathway mossy fibers-granule cells-parallel fibers-interneurons of the molecular layer-Purkinje cells. The activation of these two pathways showed a marked frequency-dependence, as well as the correlation between the activity of Purkinje cells and the granular layer. The results of this thesis extend the knowledge on the computational capacity of the cerebellar cortex with a level of detail previously never obtained. In future these new informations will be fundamental for the development of computational models capable of taking into account the frequency-dependence of the cerebellar activity. Furthermore, this accurate investigation of the processing of inputs operated by the cerebellar cortex opens up a new perspective for the evaluation of the cerebellar contribution not only in sensorimotor integration but also in higher cognitive processes, up to the mechanisms involved in consciousness.
Il cervelletto è una struttura del sistema nervoso centrale a cui, da sempre, è stato attribuito un ruolo nel controllo motorio, in particolare nell’apprendimento e nella coordinazione dei movimenti. Tuttavia, recenti studi hanno dimostrato il suo coinvolgimento anche in processi cognitivi superiori quali l’attenzione, il linguaggio, la memoria e il ragionamento. Pertanto si è resa fondamentale un'indagine approfondita sul funzionamento della rete cerebellare e sul suo livello di complessità: in particolare lo scopo della presente tesi è quello di ricostruire il funzionamento dell’intero network cerebellare in risposta a diversi tipi di input. Infatti uno studio comprensivo della risposta cerebellare alle informazioni ricevute in vari range di frequenza è, ad oggi, mancante e necessita di una valutazione sperimentale. In questo studio si è sfruttato un sistema di array multielettrodo ad alta densità (HD-MEA), capace di investigare l’attività neuronale con un’elevata risoluzione spaziale e temporale. Questa tecnologia di ultima generazione è caratterizzata da 4096 elettrodi che registrano l’attività neuronale simultaneamente e per questo motivo apre una nuova prospettiva nello studio del funzionamento dei network neuronali ex-vivo. Nel dettaglio, questa tesi si è focalizzata sull’effetto della stimolazione delle fibre muscoidi sull’attività delle cellule di Purkinje in fettine sagittali e coronali di cervelletto di topo. Le fibre muscoidi sono state stimolate a diverse frequenze (6Hz, 20Hz, 50Hz e 100Hz) in modo da simulare diversi stati di attività, al fine di valutare la risposta dell’intero circuito a diversi tipi di input. L’attivazione simultanea dello strato granulare e di quello molecolare è stata descritta nel dettaglio, ponendo l’attenzione sulla propagazione della risposta nella corteccia cerebellare e sulla sua frequenza-dipendenza. Registrando sia in sezioni sagittali che coronali l’attività dei granuli e delle cellule di Purkinje è stato possibile approfondire la comprensione di due pathway coinvolti nella rielaborazione degli input all’interno della corteccia cerebellare: il pathway fibre muscoidi-cellule dei granuli-assoni ascendenti-cellule di Purkinje e il pathway fibre muscoidi-cellule dei granuli-fibre parallele-interneuroni dello strato molecolare-cellule di Purkinje. L’attivazione di queste due vie ha mostrato una marcata frequenza-dipendenza, così come la correlazione tra l’attività delle cellule di Purkinje e dello strato granulare. I risultati di questo lavoro di tesi estendono le conoscenze sulla capacità computazionale della corteccia cerebellare con un livello di dettaglio mai ottenuto in precedenza, ed in futuro saranno perciò fondamentali per lo sviluppo di modelli computazionali in grado di tener conto della frequenza-dipendenza dell’attività del cervelletto. Inoltre, questa accurata indagine dell’elaborazione degli input operata dalla corteccia cerebellare apre una nuova prospettiva per la valutazione del contributo cerebellare non più solo nell’integrazione sensori-motoria ma anche nei processi cognitivi superiori, fino ai meccanismi coinvolti nella coscienza.
Studio ad alta risoluzione spazio-temporale della propagazione della risposta nella corteccia cerebellare e della sua frequenza-dipendenza.
VENTURA, DENISE
2019/2020
Abstract
The cerebellum is a structure of the central nervous system typically associated to motor control, in particular in learning and coordination of movements. However, recent studies have shown its involvement also in higher cognitive processes such as attention, language, memory and reasoning. Therefore, an in-depth investigation into the functioning of the cerebellar network and its level of complexity was needed: in particular, the purpose of this thesis is to reconstruct the functioning of the entire cerebellar network in response to different types of input. In fact, a comprehensive study of the cerebellar response to inputs in various frequency ranges is currently missing and requires an experimental evaluation. In this study, a high-density multi-electrode array system (HD-MEA) was used, capable of investigating neuronal activity with high spatial and temporal resolution. This latest generation technology is characterized by 4096 electrodes that record neuronal activity simultaneously and for this reason opens a new perspective in the study of the functioning of ex-vivo neuronal networks. In detail, this thesis focused on the effect of stimulation of mossy fibers on the activity of Purkinje cells in sagittal and coronal slices of the mouse cerebellum. The mossy fibers were stimulated at different frequencies (6Hz, 20Hz, 50Hz and 100Hz) in order to simulate different states of activity, evaluating the response of the entire circuit to different types of inputs. The simultaneous activation of granular and molecular layers has been described in detail, focusing on the propagation of the response in the cerebellar cortex and its frequency-dependence. By recording the activity of granules and Purkinje cells both in sagittal and coronal slices, it was possible to study the understanding of two pathways involved in the elaboration of inputs within the cerebellar cortex: the pathway mossy fibers-granule cells-ascending axons- Purkinje cells and the pathway mossy fibers-granule cells-parallel fibers-interneurons of the molecular layer-Purkinje cells. The activation of these two pathways showed a marked frequency-dependence, as well as the correlation between the activity of Purkinje cells and the granular layer. The results of this thesis extend the knowledge on the computational capacity of the cerebellar cortex with a level of detail previously never obtained. In future these new informations will be fundamental for the development of computational models capable of taking into account the frequency-dependence of the cerebellar activity. Furthermore, this accurate investigation of the processing of inputs operated by the cerebellar cortex opens up a new perspective for the evaluation of the cerebellar contribution not only in sensorimotor integration but also in higher cognitive processes, up to the mechanisms involved in consciousness.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/12962