Analisi elettrofisiologica e morfologica comparativa di reti di neuroni corticali sani e affetti da SLA in vitro

Abstract

La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è una malattia neurodegenerativa fatale caratterizzata dalla perdita progressiva dei motoneuroni superiori e inferiori, che porta alla paralisi e alla morte entro una mediana di due o tre anni dall'esordio. Evidenze crescenti indicano l'ipereccitabilità corticale come una caratteristica precoce della SLA, tuttavia l'effetto delle mutazioni associate alla SLA sulla maturazione elettrofisiologica a livello di rete e sul precoce sviluppo strutturale neuronale in colture corticali primarie non è stato ancora direttamente esaminato. Per affrontare questa questione, sono state condotte due analisi indipendenti su neuroni corticali dissociati ottenuti da embrioni di topo sani e SOD1 G93A al giorno gestazionale E14. Le registrazioni con array di microelettrodi sono state scelte per rilevare l'attività spontanea di rete in tre momenti dello sviluppo, e l'imaging morfologico è stato utilizzato per quantificare il precoce sviluppo dei neuriti prima che l'attività spontanea di rete compaia nelle colture corticali. Neuroni provenienti da cinque embrioni sani e cinque embrioni con SLA sono stati piastrati per ciascuna analisi. L'attività elettrofisiologica è stata registrata ai giorni DIV 14, 21 e 28, e sono stati quantificati cinque parametri: frequenza media di scarica, frequenza media di burst, durata del burst, intervallo inter-burst e scarica casuale. Le misurazioni morfologiche delle lunghezze dell'assone, dei processi primari e secondari sono state effettuate a 24, 48 e 72 ore dal piastramento. Sia la maturazione elettrofisiologica che il precoce sviluppo morfologico sono stati esaminati sull'intera finestra di osservazione in ciascun gruppo, con confronti effettuati tra colture sane e colture SLA a ciascun punto temporale. Parole chiave: sclerosi laterale amiotrofica; array di microelettrodi; neuroni corticali; elettrofisiologia; analisi morfologica; lunghezza dei neuriti; in vitro; embrione di topo

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by the progressive loss of upper and lower motor neurons, leading to paralysis and death within a median of two to three years from onset. Growing evidence points to cortical hyperexcitability as an early feature of ALS, yet how ALS-associated mutations affect network-level electrophysiological maturation and early neuronal structural development in primary cortical cultures has not been directly examined. To address this, two independent analyses were performed on dissociated cortical neurons from healthy and SOD1 G93A mouse embryos at gestational day E14. Microelectrode array recordings were chosen to capture spontaneous network activity across three developmental timepoints, and morphological imaging was used to quantify early neurite development before spontaneous network activity appears in cortical cultures. Neurons from five healthy and five ALS embryos were plated for each analysis. Electrophysiological activity was recorded at DIV 14, 21, and 28, and five parameters were quantified, namely mean firing rate, mean burst rate, burst duration, inter-burst interval, and random spiking. Morphological measurements of axon, primary, and secondary process lengths were taken at 24, 48, and 72 hours post-plating. Both electrophysiological maturation and early morphological development were examined across the full observation window in each group, with comparisons made between healthy and ALS cultures at each time point.

Keywords: amyotrophic lateral sclerosis; microelectrode array; cortical neurons; electrophysiology; morphological analysis; neurite length; in vitro; mouse embryo