Confronto dell'attività elettrofisiologica evocata da stimolazione a frequenze variabili in reti corticali e ippocampali

Abstract

Il presente lavoro analizza e confronta l’attività elettrofisiologica, spontanea ed evocata, di reti neuronali corticali e ippocampali coltivate in vitro su Micro-Electrode Array (MEA). L’obiettivo centrale dello studio è valutare l'impatto di protocolli di stimolazione elettrica a frequenze variabili (1, 5, 10, 50 e 100 Hz) per identificare similitudini e differenze regione-specifiche nella risposta neuronale. Attraverso l’impiego di dispositivi in polidimetilsilossano (PDMS) per il confinamento spaziale delle colture e l’utilizzo del software SpyCodePro per l’elaborazione dei segnali, sono stati estratti parametri globali di rete quali il Mean Firing Rate (MFR) e il Mean Bursting Rate (MBR). La risposta evocata è stata inoltre caratterizzata quantitativamente mediante Peri-Stimulus Time Histogram (PSTH). I risultati ottenuti evidenziano una marcata differenza nella sensibilità alla stimolazione tra le due popolazioni. Nelle reti corticali, la stimolazione elettrica ha indotto variazioni significative del firing rate e una riduzione sistematica e statisticamente rilevante del bursting rate a tutte le frequenze testate. Al contrario, le reti ippocampali hanno mostrato una maggiore stabilità, con un MFR pressoché invariato e variazioni del MBR limitate (significative solo a 5 Hz), suggerendo una risposta quantitativamente meno marcata agli stimoli esterni. In conclusione, lo studio dimostra che le diverse proprietà intrinseche e organizzative delle reti corticali e ippocampali determinano dinamiche di risposta distinte, sia in termini di intensità che distribuzione temporale, fornendo elementi utili per la comprensione dei meccanismi di base della neuromodulazione.

This work analyzes and compares the spontaneous and evoked electrophysiological activity of cortical and hippocampal neural networks cultured in vitro on Micro-Electrode Arrays (MEAs). The main objective of the study is to assess the impact of electrical stimulation protocols at variable frequencies (1, 5, 10, 50, and 100 Hz) in order to identify region-specific similarities and differences in neuronal response. By employing polydimethylsiloxane (PDMS) devices for the spatial confinement of the cultures and using the SpyCodePro software for signal processing, global network parameters such as the Mean Firing Rate (MFR) and the Mean Bursting Rate (MBR) were extracted. The evoked response was also characterized quantitatively using Peri-Stimulus Time Histogram (PSTH). The results highlight a marked difference in sensitivity to stimulation between the two populations. In cortical networks, electrical stimulation induced significant changes in firing rate and a systematic, statistically significant reduction in bursting rate at all tested frequencies. In contrast, hippocampal networks showed greater stability, with an almost unchanged MFR and limited variations in MBR (significant only at 5 Hz), suggesting a quantitatively less marked response to external stimuli. In conclusion, this study demonstrates that the different intrinsic and organizational properties of cortical and hippocampal networks give rise to distinct response dynamics, both in terms of intensity and temporal distribution, providing useful insights into the basic mechanisms of neuromodulation.