Establishing functional connectivity in partly segregated neuronal cell cultures

Deep brain stimulation is an effective technique to treat the motor symptoms of Parkinson‟s disease (PD) and other neuropathologies; however, its precise action mechanisms still need to be fully characterized. Michel Decré‟s group (Philips Research, Eindhoven, The Netherlands) is developing a novel tool to investigate the neuronal pathways involved in PD: a multi-compartment microfluidic device for neuronal cell cultures coupled with a microelectrode array. As a first step towards such an in vitro neuronal networks model, a dual-compartment system with microchannels connecting the two compartments was realized. The distinctive feature of its design is in the capability of partly segregating two neuronal populations: the microchannels, in fact, prevent neural cell bodies to move from one compartment to the other, allowing only the neurites to grow across them, and provide a fluidic separation between the culture mediums of the two populations. Dissociated embryonic rat cortical cells were successfully cultured in the device. Cell viability and structural connectivity between the two neuronal sub-populations were demonstrated in a previous work. The goal of my work was to study the functional connectivity between such populations. Functional connectivity was evaluated by means of methods based on cross-correlation. Methods that have been recently published in literature and methods that were specifically created to deal with data coming from the dual-compartment device were both used. A genuine inter-compartmental functional connectivity revealed to be significantly present during spontaneous activity of cultures. However, the effects of the compartmentalization were found to be evident: the level of inter-compartmental functional connectivity was, in fact, generally lower than the level of intra-compartmental functional connectivity. Interestingly, inter-compartmental connectivity did not appear to be strongly dependent on the distance from the physical barrier: this suggests that well functionally connected networks are likely to be formed in such devices. This work constitutes a fundamental knowledge towards the implementation of the first in vitro model of the interactions between two or more different brain districts.

La stimolazione cerebrale profonda è una tecnica efficace per il trattamento dei sintomi motori della malattia di Parkinson (MP) e di altre neuropatologie; tuttavia, i suoi precisi meccanismi di azione non sono ancora stati caratterizzati in modo completo. Il gruppo di Michel Decré (Philips Research, Eindhoven, Paesi Bassi) sta sviluppando uno strumento innovativo per indagare i circuiti neuronali coinvolti nella MP: un dispositivo di microfluidica a compartimento multiplo per colture cellulari neuronali accoppiato con un array di microelettrodi. Come primo passo verso tale modello per reti neuronali in vitro, è stato realizzato un sistema a doppio compartimento con microcanali che connettono i due compartimenti. La sua caratteristica distintiva è nella capacità di segregare parzialmente due popolazioni neuronali: i microcanali, infatti, impediscono ai corpi cellulari di muoversi da un compartimento all‟altro, permettendo solo la crescita dei neuriti attraverso di essi, e forniscono una separazione fluidica tra i mezzi di cultura delle due popolazioni. Cellule dissociate corticali provenienti da embrioni di ratto sono state coltivate con successo nel dispositivo. La vitalità cellulare e la connettività strutturale tra le due sotto-popolazioni neuronali sono state dimostrate in un precedente lavoro. Lo scopo del mio lavoro è stato quello di studiare la connettività funzionale fra tali popolazioni. La connettività funzionale è stata valutata tramite metodi basati sulla cross-correlazione. Sono stati usati sia metodi di recente pubblicazione in letteratura, sia metodi creati specificatamente per gestire dati provenienti da un dispositivo a doppio compartimento. Una genuina connettività funzionale intercompartimentale si è rivelata essere significativamente presente durante l‟attività spontanea delle colture. Tuttavia, gli effetti della compartimentalizzazione sono risultati evidenti: infatti, il livello della connettività funzionale intercompartimentale si è rivelato essere in genere inferiore a quello della connettività funzionale intracompartimentale. La connettività intracompartimentale non è risultata dipendere fortemente dalla distanza dalla barriera fisica: questo suggerisce che è probabile che reti ben connesse dal punto di vista funzionale si formino in tali dispositivi. Questo lavoro costituisce un fondamento essenziale per l‟implementazione del primo modello in vitro delle interazioni tra due o più regioni cerebrali differenti.