Studio dell'organizzazione funzionale di reti neuronali in vitro

Abstract

Comprendere come l’organizzazione strutturale influenzi lo sviluppo delle reti neuronali è fondamentale per studiare le dinamiche cerebrali e la connettività funzionale. Le colture neuronali ingegnerizzate in vitro offrono una piattaforma controllata per analizzare come le architetture modulari influenzino la comunicazione neuronale. Questa tesi studia la maturazione funzionale di reti neuronali ingegnerizzate composte da quattro moduli interconnessi, utilizzando due tecniche di registrazione complementari: Calcium Imaging e matrici di microelettrodi ad alta densità (HD-MEA). Specifiche analisi computazionali sono state impiegate per caratterizzare l’attività neuronale, la connettività effettiva, la modularità, la direzionalità e le dinamiche metastabili nelle diverse fasi di sviluppo. I risultati hanno evidenziato un progressivo aumento dell’attività neuronale e della modularità funzionale durante la maturazione, con un rafforzamento delle interazioni all’interno dei singoli moduli e il mantenimento della comunicazione tra moduli. L’analisi della direzionalità ha individuato preferenze locali transitorie, ma nessuna direzione preferenziale stabile del flusso di informazioni. Inoltre, l’analisi degli stati metastabili ha rivelato diversi schemi di attivazione sequenziale dei moduli, evidenziando la complessità delle dinamiche collettive della rete. Nel complesso, questi risultati contribuiscono a comprendere come i vincoli strutturali influenzino l’organizzazione funzionale e la maturazione delle reti neuronali ingegnerizzate.

Understanding how structural organization influences neuronal network development is essential for investigating brain dynamics and functional connectivity. Engineered in vitro neuronal cultures provide a controlled platform to study how modular architectures shape neuronal communication. This thesis investigates the functional maturation of engineered neuronal networks composed of four interconnected modules, using two complementary recording techniques: Calcium Imaging and High-Density Microelectrode Arrays (HD-MEAs). Dedicated computational analyses were employed to characterize neuronal activity, effective connectivity, modularity, directionality, and metastable dynamics across different developmental stages. The results revealed a progressive increase in neuronal activity and functional modularity during maturation, with stronger intra-modular interactions while preserving inter-module communication. Directionality analysis identified transient local preferences but no stable preferential direction of information flow. Furthermore, metastable state analysis revealed distinct patterns of sequential module activation, highlighting the complexity of collective network dynamics. Overall, these findings provide insights into how structural constraints influence the functional organization and maturation of engineered neuronal networks.