We present a method to build microcircuits of human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neurons with a controlled topology. The circuits are compatible with imaging and microelectrode array experiments.

ABSTRACT Understanding the retinogeniculate pathway in vitro can offer insights into its development and potential for future therapeutic applications. This study presents a Polydimethylsiloxane-based two-chamber system with axon guidance channels, designed to replicate unidirectional retinogeniculate signal transmission in vitro . The system enables the formation of up to 20 identical functional retinothalamic networks on a single transparent microelectrode array. Using embryonic rat retinas, we developed a model where retinal spheroids innervate thalamic targets through up to 6 mm long microfluidic channels. We found that network integrity depends on channel length, with 0.5-2 mm channels maintaining over 90 % morphological and 40 % functional integrity. A reduced network integrity was recorded in longer channels. The results indicate a notable reduction in forward spike propagation in channels longer than 4 mm. Additionally, spike conduction fidelity decreased with increasing channel length. Yet, stimulation-induced thalamic target activity remained unaffected by channel length. Finally, we assessed the impact of stimulation frequency and channel length on the sustainability of the thalamic target spheroid response. The study found that a sustained thalamic calcium response could be elicited with stimulation frequencies up to 31 Hz, with higher frequencies leading to transient responses. In conclusion, this study shows how channel length affects retina to brain network formation and signal transmission in vitro .

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 Restoring functional vision in blind patients lacking a healthy optic nerve requires bypassing retinal circuits, ideally, by directly stimulating the visual thalamus. However, available deep brain stimulation electrodes do not provide the resolution required for vision restoration. We developed an implantable biohybrid nerve model designed for synaptic stimulation of deep brain targets. The interface combines a stretchable stimulation array with an aligned microfluidic axon guidance system seeded with neural spheroids to facilitate the development of a 3 mm long nerve-like structure. A bioresorbable hydrogel nerve conduit was used as a bridge between the tissue and the biohybrid implant. We demonstrated stimulation of spheroids within the biohybrid structure in vitro and used high-density CMOS microelectrode arrays to show faithful activity conduction across the device. Finally, implantation of the biohybrid nerve onto the mouse cortex showed that neural spheroids grow axons in vivo and remain functionally active for more than 22 days post-implantation.

Controlled placement of single cells, spheroids and organoids is important for in vitro research, especially for bottom-up biology and for lab-on-a-chip and organ-on-a-chip applications. This study utilised FluidFM technology in order to automatically pick and place neuronal spheroids and single cells. Both single cells and spheroids of interest could be selected using light microscopy or fluorescent staining. A process flow was developed to automatically pick and pattern these neurons on flat surfaces, as well as to deposit them into polydimethylsiloxane microstructures on microelectrode arrays. It was shown that highly accurate and reproducible neuronal circuits can be built using the FluidFM automated workflow.

This note is a summary description of the set of scholars and literati at the Royal Zeeland Scientific Society between its creation in 1769 and 1800.