Bottom-up neuroscience, which consists of building and studying controlled networks of neurons in vitro , is a promising method to investigate information processing at the neuronal level. However, in vitro studies tend to use cells of animal origin rather than human neurons, leading to conclusions that might not be generalizable to humans and limiting the possibilities for relevant studies on neurological disorders. Here we present a method to build arrays of topologically controlled circuits of human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neurons. The circuits consist of 4 to 50 neurons with mostly unidirectional connections, confined by microfabricated polydimethylsiloxane (PDMS) membranes. Such circuits were characterized using optical imaging and microelectrode arrays (MEAs). Electrophysiology recordings were performed on circuits of human iPSC-derived neurons for at least 4.5 months. We believe that the capacity to build small and controlled circuits of human iPSC-derived neurons holds great promise to better understand the fundamental principles of information processing and storing in the brain.

Abstract The segmentation of images is a common task in a broad range of research fields. To tackle increasingly complex images, artificial intelligence (AI) based approaches have emerged to overcome the shortcomings of traditional feature detection methods. Owing to the fact that most AI research is made publicly accessible and programming the required algorithms is now possible in many popular languages, the use of such approaches is becoming widespread. However, these methods often require data labeled by the researcher to provide a training target for the algorithms to converge to the desired result. This labeling is a limiting factor in many cases and can become prohibitively time consuming. Inspired by Cycle-consistent Generative Adversarial Networks’ (cycleGAN) ability to perform style transfer, we outline a method whereby a computer generated set of images is used to segment the true images. We benchmark our unsupervised approach against a state-of-the-art supervised cell-counting network on the VGG Cells dataset and show that it is not only competitive but can also precisely locate individual cells. We demonstrate the power of this method by segmenting bright-field images of cell cultures, a live-dead assay of C.Elegans and X-ray-computed tomography of metallic nanowire meshes.

ABSTRACT In bottom-up neuroscience, questions on neural information processing are addressed by engineering small but reproducible biological neural networks of defined network topology in vitro . The network topology can be controlled by culturing neurons within polydimethylsiloxane (PDMS) microstructures that are combined with microelectrode arrays (MEAs) for electric access to the network. However, currently used glass MEAs are limited to 256 electrodes and pose a limitation to the spatial resolution as well as the design of more complex microstructures. The use of high density complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) MEAs greatly increases the spatiotemporal resolution, enabling sub-cellular readout and stimulation of neurons in defined neural networks. Unfortunately, the non-planar surface of CMOS MEAs complicates the attachment of PDMS microstructures. To overcome the problem of axons escaping the microstructures through the ridges of the CMOS MEA, we stamp-transferred a thin film of hexane-diluted PDMS onto the array such that the PDMS filled the ridges at the contact surface of the microstructures without clogging the axon guidance channels. Moreover, we provide an impedance-based method to visualize the exact location of the microstructures on the MEA and show that our method can confine axonal growth within the PDMS microstructures. Finally, the high spatiotemporal resolution of the CMOS MEA enabled us to show that we can guide action potentials using the unidirectional topology of our circular multi-node microstructure.

Abstract T cells sense and respond to their local environment at the nanoscale by forming small actin-rich protrusions, called microvilli, which play critical roles in signaling and antigen recognition, particularly at the interface with the antigen presenting cells. However, the mechanisms by which microvilli contribute to cell signaling and activation is largely unknown. Here, we present a tunable engineered system that promotes microvilli formation and T cell signaling via physical stimuli. We discovered that nanoporous surfaces favored microvilli formation, and markedly altered gene expression in T cells and promoted their activation. Mechanistically, confinement of microvilli inside of nanopores leads to size-dependent sorting of membrane-anchored proteins, specifically segregating CD45 phosphatases and T cell receptors (TCR) from the tip of the protrusions when microvilli are confined in 200 nm pores, but not in 400 nm pores. Consequently, formation of TCR nanoclustered hotspots within 200 nm pores, allows sustained and augmented signaling that prompts T cell activation even in the absence of TCR agonists. The synergistic combination of mechanical and biochemical signals on porous surfaces presents a straightforward strategy to investigate the role of microvilli in T cell signaling as well as to boost T cell activation and expansion for application in the growing field of adoptive immunotherapy.

Advances in tridimensional (3D) culture approaches have led to the generation of organoids that recapitulate cellular and physiological features of domains of the human nervous system. Although microelectrodes have been developed for long-term electrophysiological interfaces with neural tissue, studies of long-term interfaces between microelectrodes and free-floating organoids remain limited. In this study, we report a stretchable, soft mesh electrode system that establishes an intimate in vitro electrical interface with human neurons in 3D organoids. Our mesh is constructed with poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) based electrically conductive hydrogel electrode arrays and an elastomeric poly(styrene-ethylene-butadiene-styrene) (SEBS) as the substrate and encapsulation materials. This mesh electrode can maintain stable electrochemical impedance in buffer solution under 50% compressive and 50% tensile strain. We have successfully cultured pluripotent stem cell-derived human cortical organoids (hCO) on this polymeric mesh for more than 3 months and demonstrated that organoids readily integrate with the mesh. Using simultaneous stimulation and calcium imaging, we show that electrical stimulation through the mesh can elicit intensity-dependent calcium signals comparable to stimulation from a bipolar stereotrode. This platform may serve as a tool for monitoring and modulating the electrical activity of in vitro models of neuropsychiatric diseases.

Organoids and assembloids have emerged as a promising platform to model aspects of nervous system development. Longterm, minimally-invasive recordings in these multi-cellular systems are essential for developing disease models. Current technologies, such as patch-clamp, penetrating microelectrodes, planar electrode arrays and substrate-attached flexible electrodes, do not, however, allow chronic recording of organoids in suspension, which is necessary to preserve their architecture. Inspired by the art of kirigami, we developed flexible electronics that transition from a 2D pattern to a 3D basketlike configuration to accommodate the long-term culture of organoids in suspension. This platform, named kirigami electronics (KiriE), integrates with and enables chronic recording of cortical organoids while preserving morphology, cytoarchitecture, and cell composition. KiriE can be integrated with optogenetic and pharmacological stimulation and model disease. Moreover, KiriE can capture activity in cortico-striatal assembloids. Moving forward, KiriE could reveal disease phenotypes and activity patterns underlying the assembly of the nervous system.

Abstract Drug-induced cardiotoxicity arises primarily when a compound alters the electrophysiological properties of cardiomyocytes. Features of intracellular action potentials (iAPs) are powerful biomarkers that predict proarrhythmic risks. However, the conventional patch clamp techniques for measuring iAPs are either laborious and low throughput or not suitable for measuring electrically connected cardiomyocytes. In the last decade, a number of vertical nanoelectrodes have been demonstrated to achieve parallel and minimally-invasive iAP recordings. Nanoelectrodes show great promise, but the large variability in success rate, signal strength, and the low throughput of device fabrication have hindered them from being broadly adopted for proarrhythmia drug assessment. In this work, we developed vertically-aligned and semi-hollow nanocrown electrodes that are mechanically robust and made through a scalable fabrication process. Nanocrown electrodes achieve >99% success rates in obtaining intracellular access through electroporation, allowing reliable and simultaneous iAP recordings from up to 57 human pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs). The accuracy of nanocrown electrode recordings is validated by simultaneous patch clamp recording from the same cell. Nanocrown electrodes enable prolonged iAP recording for continual monitoring of the same cells upon the sequential addition of four to five incremental drug doses. In this way, the dose-response data is self-referencing, which avoids the cell-to-cell variations inherent to hPSC-CMs. We are hopeful that this technology development is a step towards establishing an iAP screening assay for preclinical evaluation of drug-induced arrhythmogenicity.