Abstract Neurogenesis is a complex process encompassing neuronal progenitor cell expansion/proliferation and differentiation, followed by neuron maturation. In vivo models are most commonly used to study neurogenesis; however, human induced pluripotent stem cell-derived (iPSC) neurons are increasingly used to establish cellular models of human neurological processes. Unfortunately, the differentiation and maturation of iPSC-derived neurons varies in methodology, is asynchronous, and has restricted experimental utility because of extended differentiation/maturation times. To accelerate and standardize iPS neuronal maturation, we differentiated and matured feeder layer-free iPSC-derived neuronal cultures under physiological oxygen levels (5%), and modified the underlying extracellular matrix and medium composition. Our results demonstrate that calretinin gene expression occurred earlier under our optimized iPS conditions and the corresponding “neurogenesis burst” associated with proliferative expansion occurred more synchronously, reliably emerging two and three weeks after differentiation. As expected, the expression of mature neuronal markers ( i.e. , NeuN+/Calbindin+) started at 4-weeks post-differentiation. qPCR microarray, western blot and single cell analyses using high content imaging indicated that 4-week iPS neuronal cultures were non-cycling with decreased expression of cyclin D1 and Ki67. Our data demonstrate that extracellular cues influence the kinetics of neurogenesis models and that feeder layer-free iPSC-derived neurogenesis can be reproducibly miniaturized.

Abstract Hyperventilation reliably provokes seizures in patients diagnosed with absence epilepsy. Despite this predictable patient response, the mechanisms that enable hyperventilation to powerfully activate absence seizure-generating circuits remain entirely unknown. Using the WAG/Rij rat, an established rodent model of absence epilepsy, we demonstrate that absence seizures are highly sensitive to arterial carbon dioxide, suggesting that seizure-generating circuits are sensitive to pH. Moreover, hyperventilation consistently activated neurons within the intralaminar nuclei of the thalamus, a structure implicated in seizure generation. We show that intralaminar thalamus also contains pH-sensitive neurons. Collectively, these observations suggest that hyperventilation activates pH-sensitive neurons of the intralaminar nuclei to provoke absence seizures.

Abstract Absence seizures result from 3-5 Hz generalized thalamocortical oscillations that depend on highly regulated inhibitory neurotransmission in the thalamus. Efficient reuptake of the inhibitory neurotransmitter GABA is essential, and reuptake failure worsens seizures. Here, we show that blocking GABA transporters (GATs) in acute brain slices containing key parts of the thalamocortical seizure network modulates epileptiform activity. As expected, we found that blocking either GAT1 or GAT3 prolonged oscillations. However, blocking both GATs unexpectedly suppressed oscillations. Integrating experimental observations into single-neuron and network-level computational models shows how a non-linear dependence of T-type calcium channel opening on GABA B receptor activity regulates network oscillations. Receptor activity that is either too brief or too protracted fails to sufficiently open T-type channels necessary for sustaining oscillations. Only within a narrow range does prolonging GABA B receptor activity promote channel opening and intensify oscillations. These results have implications for therapeutics that modulate GABA transporters.