HiPSC analysis with multi-electrode array technology : setup and methods for a case-control study

Electrophysiological studies are the base to acquire information about the brain and neuron activity. Different techniques can give information about the anatomical structure and physiology of the central nervous system (CNS). Neuronal cultures can be studied using a multi-electrode system (MEA). This system records the extracellular activity, through a matrix of electrodes, giving us information about the overall activity of the cell network. Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) were employed to obtain hiPSC-derived neurons, that can be used to build human functional models. These cells bring the DNA of the person they are from, carrying an eventual disease. A pathology that can be studied with these technologies is the Prater-Willis syndrome (PWS), a genetic disorder that affects chromosome 15. hiPSC-derived neurons coming from a subject affected by PWS and a control subject were used in this work. A longitudinal study and a comparison between the two groups have been done regarding basal activity. Cells were recorded every week for the duration of the study. Other experiments involve the use of electrical high-frequency stimulation (HFS) to verify if the network display sign of long term potentiation (LTP). A basal recording and a post stimulation recording were done. As last experiment, glutamate was added to the culture to see the response of the cell network, then the cells are dismissed. Features regarding spiking and burst activity were extracted from the recordings using a developed software written in Python. Given the reduced sample size due to difficulties and long time to obtain hiPSC-derived neurons the dataset used has a small size. Results seem to show greater activity in both spikes and burst features in the pathological subject in the longitudinal study. No evident changes were seen between the pre and post HFS protocol. Although the results seem promising, they don't show a statistical significative difference. The glutamate response shows interesting results, a response was seen in both cases, increasing the activity in the control, as expected, but decreasing in the pathological, probably due to synaptic fatigue.

Gli studi di elettrofisiologici sono la base per acquisire informazioni sul cervello e sull'attività dei neuroni. Diverse tecniche forniscono informazioni sulla struttura anatomica e sulla fisiologia del sistema nervoso centrale (SNC). Le colture neuronali possono essere studiate utilizzando un sistema multi-elettrodo (MEA). Questo sistema registra l'attività extracellulare, attraverso una matrice di elettrodi, fornendo informazioni sull'attività complessiva della rete cellulare. Sono state utilizzate cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) per ottenere neuroni derivati da hiPSC, utilizzabili per studiare modelli funzionali. Una patologia studiabile con queste tecnologie è la sindrome di Prater-Willis (PWS), un disturbo genetico che colpisce il cromosoma 15. In questo lavoro sono stati utilizzati neuroni derivati da hiPSC provenienti da un soggetto affetto da PWS e da un soggetto di controllo. È stato condotto uno studio longitudinale e un confronto tra i due gruppi per quanto riguarda l'attività basale. Altri esperimenti prevedono l'uso della stimolazione elettrica ad alta frequenza (HFS) per verificare se la rete mostra segni di potenziamento a lungo termine (LTP). Sono state effettuate una registrazione basale e una registrazione post-stimolazione. Come ultimo esperimento, è stato aggiunto glutammato alla coltura per vedere la risposta della rete cellulare. Le caratteristiche dell'attività di spike e burst sono state estratte dalle registrazioni utilizzando un software sviluppato in Python. Data la ridotta dimensione del campione, dovuta ai tempi lunghi per ottenere neuroni derivati da hiPSC, il set di dati utilizzato è di dimensioni ridotte. I risultati sembrano mostrare una maggiore attività sia in termini di eventi che di burst nel soggetto patologico nello studio longitudinale. Non sono stati osservati cambiamenti evidenti tra prima e dopi ul ptotocollo HFS. Sebbene i risultati sembrino promettenti, non mostrano una differenza statisticamente significativa. La risposta del glutammato mostra risultati interessanti: il'attività aumenta nel controllo, ma diminuisce nel soggetto patologico, probabilmente a causa dell'affaticamento sinaptico.