Relazione tra connettività morfologica e funzionale nelle reti neuronali di origine umana a bassa densità

Abstract

I modelli neuronali derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane forniscono un sistema controllato in vitro per studiare l’organizzazione e le dinamiche delle reti neuronali umane. In questi sistemi, la connettività strutturale, determinata dalla disposizione spaziale dei soma neuronali e dei processi neuritici, fornisce il substrato anatomico per la comunicazione, mentre la connettività funzionale riflette le relazioni statistiche che emergono dall’attività neuronale. Comprendere la relazione tra questi due livelli è essenziale, poiché le connessioni strutturali non determinano necessariamente interazioni funzionalmente attive e l’accoppiamento funzionale può dipendere dallo stato dinamico della rete. Comprendere come la connettività strutturale e quella funzionale siano correlate tra loro rimane una sfida fondamentale nella caratterizzazione delle reti neuronali. Questa tesi aveva l’obiettivo di sviluppare una pipeline integrata che combinasse informazioni strutturali e funzionali per studiarne la relazione all’interno della stessa rete neuronale. In particolare, lo studio ha valutato in che misura la connettività strutturale e quella funzionale forniscano informazioni complementari sull’organizzazione della rete e se le caratteristiche strutturali possano essere messe in relazione con le interazioni funzionali emergenti dall’attività neuronale. Le analisi qualitative e quantitative hanno mostrato una corrispondenza spaziale tra le unità rilevate elettrofisiologicamente e la popolazione neuronale identificata morfologicamente, mentre i nodi funzionali rappresentavano solo un sottoinsieme della popolazione neuronale NeuN-positiva. Le connessioni funzionali erano distribuite in regioni morfologicamente popolate contenenti nuclei e processi neuronali. Nel complesso, l’organizzazione strutturale e la connettività funzionale hanno fornito descrizioni complementari e reciprocamente supportanti della stessa rete neuronale a differenti livelli.

Human induced pluripotent stem cell-derived neuronal models provide a controlled in vitro system for investigating the organization and dynamics of human neuronal networks. In these systems, structural connectivity, determined by the spatial arrangement of neuronal somata and neuritic processes, provides the anatomical substrate for communication, while functional connectivity reflects the statistical relationships emerging from neuronal activity. Understanding the relationship between these two levels is essential, as structural connections do not necessarily result in functionally active interactions, and functional coupling may depend on the dynamic state of the network. Understanding how structural and functional connectivity relate to each other remains a key challenge in the characterization of neuronal networks. This thesis aimed to develop an integrated pipeline combining structural and functional information to investigate their relationship within the same neuronal network. In particular, the study assessed the extent to which structural and functional connectivity provide complementary information on network organization and whether structural features can be related to the functional interactions emerging from neuronal activity. Qualitative and quantitative analyses showed a spatial correspondence between electrophysiologically detected units and the morphologically identified neuronal population, while functional nodes represented only a subset of the NeuN-positive neuronal population. Functional connections were distributed across morphologically populated regions containing NeuN-positive nuclei and MAP2-positive processes. Overall, structural organization and functional connectivity provided complementary and mutually supporting descriptions of the same neuronal network at different organizational levels.