Abstract Three-dimensional (3D) neural microtissues are a powerful in vitro paradigm for studying brain development and disease under controlled conditions, while maintaining many key attributes of the in vivo environment. Here, we used primary cortical microtissues to study the effects of neuroinflammation on neural microcircuits. We demonstrated the use of a genetically encoded calcium indicator combined with a novel live-imaging platform to record spontaneous calcium transients in microtissues from day 14-34 in vitro. We implemented graph theory analysis of calcium activity to characterize underlying functional connectivity and community structure of microcircuits, which are capable of capturing subtle changes in network dynamics during early diseases states. We found that microtissues cultured for 34 days displayed functional remodeling of microcircuits and that community structure strengthened over time. Lipopolysaccharide, a neuroinflammatory agent, significantly increased functional connectivity and disrupted community structure 5-9 days after exposure. These microcircuit-level changes have broad implications for the role of neuroinflammation in functional dysregulation of neural networks.

Abstract The recording instability of neural implants due to neuroinflammation at the device-tissue interface (DTI) is a primary roadblock to broad adoption of brain-machine interfaces. While a multiphasic immune response, marked by glial scaring, oxidative stress (OS), and neurodegeneration, is well-characterized, the independent contributions of systemic and local “innate” immune responses are not well-understood. Three-dimensional primary neural cultures provide a unique environment for studying the drivers of neuroinflammation by decoupling the innate and systemic immune systems, while conserving an endogenous extracellular matrix and structural and functional network complexity. We created a three-dimensional in vitro model of the DTI by seeding primary cortical cells around microwires. Live imaging of microtissues over time revealed independent innate neuroinflammation, marked by increased OS, decreased neuronal density, and increased functional connectivity. We demonstrated the use of this model for therapeutic screening by directly applying drugs to neural tissue, bypassing low bioavailability through the in vivo blood brain barrier. As there is growing interest in long-acting antioxidant therapies, we tested efficacy of “perpetual” antioxidant ceria nanoparticles, which reduced OS, increased neuronal density, and protected functional connectivity. Overall, our avascular in vitro model of the DTI exhibited symptoms of OS-mediated innate neuroinflammation which were mitigated by antioxidant intervention.