Summary Retinal dystrophies often lead to blindness. Developing therapeutic interventions to restore vision is therefore of paramount importance. Here we demonstrate the ability of pluripotent stem cell-derived cone precursors to engraft and restore light responses in the Pde6brd1 mouse, an end-stage photoreceptor degeneration model. Up to 1.5% of precursors integrated into the host retina, differentiated into cones and formed synapses with bipolar cells. Half of the transplanted mice exhibited visual behaviour and 33% showed binocular light sensitivity. The majority of ganglion cells exhibited contrast-sensitive ON, OFF or ON-OFF light responses and even motion sensitivity. Many cells also exhibited unusual responses (e.g. light-induced suppression), presumably reflecting remodelling of the neural retina. Our data indicate that despite relatively low engraftment yield, engrafted pluripotent stem cell-derived cone precursors can elicit light responsiveness even at advanced degeneration stages. Further work is needed to improve engraftment yield and counteract retinal remodelling to achieve useful clinical applications.

Abstract Chronic pain is a global healthcare problem with a huge societal impact. Its management remains unsatisfactory, with no single treatment clinically approved in most cases. In this study we use an in vitro experimental model of erythromelalgia consisting of sensory neurons derived from human induced pluripotent stem cells obtained from a patient (carrying the mutation F1449V) and a control subject. We combine neurophysiology and computational modelling to focus on the Nav1.7 voltage gated sodium channel, which acts as an amplifier of the receptor potential in nociceptive neurons and plays a critical role in erythromelalgia due to gain of function mutations causing the channel to open with smaller depolarisations. Using multi-electrode array (extracellular) recordings, we found that the scorpion toxin OD1 increases the excitability of sensory neurons in cultures obtained from the control donor, evidenced by increased spontaneous spike rate and amplitude. In erythromelalgia cultures, the application of the Nav1.7 blocker PF-05089771 effectively stopped spontaneous firing. These results, which are in accordance with current clamp and voltage clamp recordings reported in the literature, are explained with a conductance-based computational model of a single human nociceptive neuron. The disease was simulated through a decrease of the Nav1.7 half activation voltage, which decreased the rheobase and increased the response to supra threshold depolarizing currents. This enhanced response could be successfully supressed by blocking the Nav1.7 channels. The painful effects of OD1 were simulated through a slower establishment and a quicker removal of Nav1.7 inactivation, reproducing the effects of the toxin on the spike frequency and amplitude. Our model simulations suggest that the increase in extracellular spike amplitude observed in the MEA after OD1 treatment can be due mainly to a slope increase in the ascending phase of the intracellular spike caused by impaired inactivation gating.

Retinal ganglion cells, the sole output neurons of the retina, exhibit surprising diversity. A recent study reported over 30 distinct types in the mouse retina, indicating that the processing of visual information is highly parallelised in the brain. The advent of high density multi-electrode arrays now enables recording from many hundreds to thousands of neurons from a single retina. Here we describe a method for the automatic classification of large-scale retinal recordings using a simple stimulus paradigm and a spike train distance measure as a clustering metric. We evaluate our approach using synthetic spike trains, and demonstrate that major known cell types are identified in high-density recording sessions from the mouse retina with around 1000 retinal ganglion cells. A comparison across different retinas reveals substantial variability between preparations, suggesting pooling data across retinas should be approached with caution. As a parameter-free method, our approach is broadly applicable for cellular physiological classification in all sensory modalities.

Background: During early development, neural circuits fire spontaneously, generating activity episodes with complex spatiotemporal patterns. Recordings of spontaneous activity have been made in many parts of the nervous system over the last 20 years, reporting developmental changes in activity patterns and the effects of various genetic perturbations. Results: We present a curated repository of multielectrode array recordings of spontaneous activity in developing mouse and ferret retina. The data have been annotated with minimal metadata and converted into the HDF5 format. This paper describes the structure of the data, along with examples of reproducible research using these data files. We also demonstrate how these data can be analysed in the CARMEN workflow system. This article is written as a literate programming document; all programs and data described here are freely available. Conclusions: 1. We hope this repository will lead to novel analysis of spontaneous activity recorded in different laboratories. 2. We encourage published data to be added to the repository. 3. This repository serves as an example of how multielectrode array recordings can be stored for long-term reuse.

The choice of electrode material is of paramount importance in neural prosthetic devices. Electrodes must be biocompatible yet able to sustain repetitive current injections in a highly corrosive environment. We explored the suitability of carbon nanotube (CNT) electrodes to stimulate retinal ganglion cells (RGCs) in a mouse model of outer retinal degeneration. We investigated morphological changes at the bio-hybrid interface and changes in RGC responses to electrical stimulation following prolonged in vitro coupling to CNT electrodes. We observed gradual remodelling of the inner retina to incorporate CNT assemblies. Electrophysiological recordings demonstrate a progressive increase in coupling between RGCs and the CNT electrodes over three days, characterized by a gradual decrease in stimulation thresholds and increase in cellular recruitment. These results provide novel evidence for time-dependent formation of viable bio-hybrids between CNTs and the retina, demonstrating that CNTs are a promising material for inclusion in retinal prosthetic devices.

Mutations in pre-mRNA processing factors (PRPFs) cause 40% of autosomal dominant retinitis pigmentosa (RP), but it is unclear why mutations in ubiquitously expressed PRPFs cause retinal disease. To understand the molecular basis of this phenotype, we have generated RP type 11 (PRPF31-mutated) patient-specific retinal organoids and retinal pigment epithelium (RPE) from induced pluripotent stem cells (iPSC). Impaired alternative splicing of genes encoding pre-mRNA splicing proteins occurred in patient-specific retinal cells and Prpf31+/- mouse retinae, but not fibroblasts and iPSCs, providing mechanistic insights into retinal-specific phenotypes of PRPFs. RPE was the most affected, characterised by loss of apical-basal polarity, reduced trans-epithelial resistance, phagocytic capacity, microvilli, and cilia length and incidence. Disrupted cilia morphology was observed in patient-derived-photoreceptors that displayed progressive features associated with degeneration and cell stress. In situ gene-editing of a pathogenic mutation rescued key structural and functional phenotypes in RPE and photoreceptors, providing proof-of-concept for future therapeutic strategies.

Chronic pain is a global healthcare problem with a huge societal impact. Its management remains generally unsatisfactory, with no single treatment clinically approved in most cases. In this study we use an in vitro model of erythromelalgia consisting of dorsal root ganglion neurons derived from human induced pluripotent stem cells obtained from a patient (carrying the mutation F1449V) and a control subject. We combine neurophysiology and computational modelling to focus on the Nav1.7 voltage gated sodium channel, which acts as an amplifier of the receptor potential in nociceptive neurons and plays a critical role in erythromelalgia due to gain of function mutations causing the channel to open with smaller depolarisations. Using extracellular recordings, we found that the scorpion toxin OD1 (a Nav1.7 channel opener) increases dorsal root ganglion cell excitability in cultures obtained from the control donor, evidenced by an increase in spontaneous discharges, firing rate and spike amplitude. In addition, we confirmed previous reports of voltage clamp experiments concerning an increase in spontaneous discharge in the patient cell cultures and the analgesic effects of the Nav1.7 blocker PF-05089771. Our findings are explained with a conductance-based model of the dorsal root ganglion neuron, exploring its behaviour for different values of half activation voltage and inactivation removal rate of the Nav1.7 current. Erythromelalgia was simulated through a decrease of the Nav1.7 half activation voltage, turning previously subthreshold stimuli to pain-inducing, and successfully counteracted with the channel blocker. The painful effects of OD1 were simulated through a quicker removal of Nav1.7 inactivation that reproduced the effects of the toxin not only on the spike frequency but also on its amplitude.

Waves of spontaneous activity sweep across the neonatal mouse retinal ganglion cell (RGC) layer, driven by directly interconnected cholinergic starburst amacrine cells (the only known retinal cholinergic cells) from postnatal day (P) 0-10, followed by waves driven by glutamatergic bipolar cells. We found transient clusters of cholinergic RGC-like cells around the optic disc during the period of cholinergic waves. They migrate towards the periphery between P2-9 and then they disappear. Pan-retinal multielectrode array recordings reveal that cholinergic wave origins follow a similar developmental center-to-periphery pattern. Electrical imaging unmasks hotspots of dipole electrical activity occurring in the vicinity of wave origins. We propose that these activity hotspots are sites for wave initiation and are related to the cholinergic cell clusters, reminiscent of activity in transient subplate neurons in the developing cortex, suggesting a universal hyper-excitability mechanism in developing CNS networks during the critical period for brain wiring.

Abstract Developing neurons become spontaneously active while growing blood vessels begin to irrigate their surroundings. However, surprising little is known about early interactions between neural activity and angiogenesis. In the neonatal mouse retina, spontaneous waves of impulses sweep across the ganglion cell layer (GCL), just underneath the growing superficial vascular plexus. We discovered clusters of transient auto-fluorescent cells in the GCL, forming an annulus that co-localizes with the frontline of the growing plexus. Blood vessel density is highest within cluster areas, suggesting their involvement in angiogenesis. Once the clusters and blood vessels reach the retinal periphery by the end of the first postnatal week, the clusters disappear, eliminated by microglial phagocytosis. Electrical imaging suggests that they have their own electrophysiological signature. Blocking Pannexin1 (PANX1) hemi-channels with probenecid blocks the waves and the fluorescent clusters disappear following prolonged exposure to the drug. Spontaneous waves’ initiation points follow a developmental center-to-periphery progression similar to the cluster cells. We suggest that these transient cells are specialized, hyperactive neurons residing in the GCL. They generate spontaneous activity hotspots, thereby triggering waves through purinergic paracrine signaling via PANX1 hemi-channels. The strong activity generated around these hotspots triggers angiogenesis, attracting new blood vessels that provide local oxygen supply. Signaling through PANX-1 attracts microglia that establish contact with these cells, eventually leading to their elimination by phagocytosis. These cluster cells may provide the first evidence that specialized transient neuronal populations guide angiogenesis in the developing CNS through neural activity.

A new method for automated spike sorting for recordings with high density, large scale multielectrode arrays is presented. It is based on an efficient, low-dimensional representation of detected events by their estimated spatial current source locations and dominant spike shape features. Millions of events can be sorted in just minutes, and the full analysis chain scales roughly linearly with recording time. We demonstrate this method using recordings from the mouse retina with a 4,096 channel array, and present validation based on anatomical imaging and model-based quality control. Our analysis shows that it is feasible to reliably isolate the activity of hundreds to thousands of retinal ganglion cells in single recordings.