Abstract The patterning of peripheral innervation is accomplished through the tissue expression, in specific space and timeframe, of attractive or repulsive axonal guidance cues. At the bone microenvironment, neurotrophic factors such as nerve growth factor, brain-derived neurotrophic factor, vascular endothelial growth factor, netrin-1 and others were described to regulate the nerve ingrowth towards the bone compartment, by acting directly on receptors expressed at the nerve terminals. Interestingly, besides the gradient of soluble factors, neurons were described to be responsive to extracellular vesicles (EV) derived from myelinating cells and mesenchymal stem cells. Here we provide evidence on a new mechanism by which peripheral innervation can be coordinated. We show that sensory nerves outgrowth and electric signal propagation are dependent on the EV secreted by osteoclasts, the bone resorbing cells. Furthermore, we demonstrate that the axonal sprouting is achieved through the activation of epidermal-growth factor receptor (EGFR) family signaling pathway. We proved that the EV-depleted osteoclast secretome leads to a significant decrease of neurons firing rate and axonal sprouting, concomitant with a decrease of EGFR/ErbB2 activation levels. Excitingly, the proteomic analysis of the osteoclast-derived EV cargo shows a high correlation with synaptic components reinforcing the role on sensory neurons/osteoclast crosstalk. Our findings that osteoclast-derived EV hold effect in axonal outgrowth, contributing actively to the dynamics of the sensory neurons sprouting and electrophysiology, is a step toward unraveling target mechanisms to control electrical signal propagation and nerve fibers sprouting and consequently open new avenues for the development of innovative therapies to control bone pain. Significance Statement Sensory nerve fibers sprouting in bone pathologies is highly associated with pain. Thus, understanding the mechanisms behind sensory nerves ingrowth, sprouting and electrical activity, within the bone compartment, is essential for improving the strategies to overcome pain in bone disorders. We provide a new mechanism on the sensory nerves sprouting, indicating that the effect is dependent on the extracellular vesicles (EV) released by osteoclasts, through the epidermal growth factor receptor family targeting, by integrin independent pathways. We show different electrophysiology patterns being triggered in the presence of osteoclasts secretome and the abolishment of sensory neurons firing rate in EV-depleted conditions. Overall, our results elucidate novel mechanisms on the peripheral nerves sprouting, essential for pursuing new targets for bone pain therapies.

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 Recent technological advances are revealing the complex physiology of the axon and challenging long-standing assumptions. Namely, while most action potential (AP) initiation occurs at the axon initial segment in central nervous system neurons, initiation in distal parts of the axon has been shown to occur in both physiological and pathological conditions. However, such ectopic action potential (EAP) activity has not been reported yet in studies using neuronal cultures and its functional role, if exists, is still not clear. Here, we show the spontaneous occurrence of EAPs and effective antidromic conduction in hippocampal neuronal cultures. We also observe a significant fraction of bidirectional axonal conduction in dorsal root ganglia neuronal cultures. We investigate and characterize this antidromic propagation via a combination of microfluidics, microelectrode arrays, advanced data analysis and in silico studies. We show that EAPs and antidromic conduction can occur spontaneously, and after distal axotomy or physiological changes in the axon biochemical environment. Conduction velocity is asymmetrical, with antidromic conduction being slower than orthodromic. Importantly, EAPs may carry information and can have a functional impact on the neuron, as they consistently depolarize the soma. Thus, plasticity or gene transduction mechanisms triggered by soma depolarization can also be affected by these antidromic APs. Altogether these findings have important implications for the study of neuronal function in vitro , reshaping our understanding on how information flows in neuronal cultures.

ABSTRACT Methods for patterning neurons in vitro have gradually improved and are used to investigate questions difficult to address in or ex vivo . Though these techniques guide axons between groups of neurons, multiscale control of neuronal connectivity, from circuits to synapses, is yet to be achieved in vitro . As studying neuronal circuits with synaptic resolution in vivo poses significant challenges, an in vitro alternative could serve as a testbed for in vivo experiments or as a platform for validating biophysical and computational models. In this work we use a combination of electron beam and photolithography to create polydimethylsiloxane (PDMS) structures with features ranging from 150 nanometers to a few millimeters. Leveraging the difference between average axon and dendritic spine diameters, we restrict axon growth while allowing spines to pass through nanochannels to guide synapse formation between small groups of neurons (i.e. nodes). We show this technique can be used to generate large numbers of isolated feed-forward circuits where connections between nodes are restricted to regions connected by nanochannels. Using a genetically encoded calcium indicator in combination with fluorescently tagged post synaptic protein, PSD-95, we demonstrate functional synapses can form in this region. Although more work needs to be done to control connectivity in vitro , we believe this is a significant step in that direction.