Dinamica spettrale della segnalazione neuronale extracellulare nelle reti corticali in via di sviluppo derivate da hiPSC in 2D su MEA

Abstract

La maturazione funzionale delle reti neuronali derivate da hiPSC su array di microelettrodi (MEA) è di norma caratterizzata con metriche basate sugli spike, mentre il potenziale di campo locale (LFP) a bassa frequenza, che riflette l'attività sottosoglia di popolazione e condivide l'origine biofisica con l'EEG, viene solitamente filtrato ed escluso. Resta inesplorato se firme di maturazione dell'LFP emergano in colture corticali bidimensionali (2D). Questo lavoro ha analizzato l'evoluzione longitudinale dell'LFP in reti corticali 2D della linea hiPSC TUBA1B, registrate in quattro timepoint tra DIV 47 e 59. Due batch, acquisiti con sistemi con diversi limiti di registrazione a bassa frequenza, sono stati confrontati per escludere bias tecnici; poiché il sistema meno recente attenuava le componenti lente, le analisi spettrali hanno usato l'LFP a banda larga, mentre le metriche degli spike sono state riportate per entrambi. Distribuzione della potenza nelle bande canoniche, componente aperiodica e accoppiamento fase-ampiezza (PAC) delta-banda larga sono stati integrati tramite analisi delle componenti principali in un indice di maturazione, l'LFP-based neural activity score (LFP-NAS). La potenza spettrale si è spostata dalle basse alle alte frequenze con componente aperiodica stabile, indicando variazioni banda-specifiche e non una riorganizzazione globale. Il PAC delta-banda larga è emerso e si è rafforzato nel tempo, in linea con un crescente accoppiamento ritmico di popolazione. L'LFP-NAS ha tracciato la maturazione del singolo well, aumentando significativamente con i DIV da valori negativi a positivi, guidato soprattutto da potenza gamma, dalle due misure di PAC, potenza relativa delta e rapporto delta/gamma. Questi risultati indicano che l'LFP nelle reti 2D da hiPSC è un indicatore informativo della maturazione funzionale e che l'LFP-NAS integra la caratterizzazione basata sugli spike, con applicazioni nella modellizzazione di malattia e nello screening farmacolo

Functional maturation of hiPSC-derived neuronal networks on microelectrode arrays (MEAs) is usually characterized with spike-based metrics, while the low-frequency local field potential (LFP), which reflects subthreshold population activity and shares its origin with the EEG, is typically filtered out. Whether LFP maturation signatures emerge in two-dimensional (2D) cortical cultures remains largely unexplored. This thesis examined the longitudinal evolution of the LFP in 2D cortical networks derived from the TUBA1B hiPSC line, recorded at four timepoints between DIV 47 and 59. Two batches recorded on systems with different low-frequency limits were compared to exclude technical bias; since the older system attenuated slow components, spectral analyses used the broadband LFP, and spike metrics were reported for both. Power distribution across canonical bands, the aperiodic component, and delta-broadband phase-amplitude coupling (PAC) were evaluated and combined by principal component analysis into a maturation index, the LFP-based neural activity score (LFP-NAS). Spike metrics followed expected developmental trajectories. Spectral power shifted from low to high frequencies with a stable aperiodic component, indicating band-specific changes rather than global reorganisation. Delta-broadband PAC emerged and strengthened over time, consistent with increasing population-level rhythm locking. The LFP-NAS tracked single-well maturation, rising significantly with DIV from negative to positive values, driven mainly by gamma power, the two PAC measures, relative delta power, and the delta-to-gamma ratio. These results show that the LFP in 2D hiPSC-derived networks is an informative readout of functional maturation, and that the LFP-NAS complements spike-based characterisation, with applications in disease modelling and drug screening.