Neurons have a membrane periodic skeleton (MPS) composed of actin rings interconnected by spectrin. Here, combining chemical and genetic gain- and loss-of-function assays, we show that in rat hippocampal neurons the MPS is an actomyosin network that controls axonal expansion and contraction. Using super-resolution microscopy, we analyzed the localization of axonal non-muscle myosin II (NMII). We show that active NMII light chains are colocalized with actin rings and organized in a circular periodic manner throughout the axon shaft. In contrast, NMII heavy chains are mostly positioned along the longitudinal axonal axis, being able to crosslink adjacent rings. NMII filaments can play contractile or scaffolding roles determined by their position relative to actin rings and activation state. We also show that MPS destabilization through NMII inactivation affects axonal electrophysiology, increasing action potential conduction velocity. In summary, our findings open new perspectives on axon diameter regulation, with important implications in neuronal biology.

Abstract Objective . 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 reported to occur in both physiological and pathological conditions. The functional role of these ectopic APs, if exists, is still not clear, nor its impact on network activity dynamics. Approach . Using an electrophysiology platform specifically designed for assessing axonal conduction we show here for the first time regular and effective bidirectional axonal conduction in hippocampal and dorsal root ganglia cultures. We investigate and characterize this bidirectional propagation both in physiological conditions and after distal axotomy. Main results. A significant fraction of APs are not coming from the canonical synapse-dendrite-soma signal flow, but instead from signals originating at the distal axon. Importantly, antidromic APs 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. Conduction velocity is asymmetrical, with antidromic conduction being slower than orthodromic. Significance. Altogether these findings have important implications for the study of neuronal function in vitro , reshaping our understanding on how information flows in neuronal cultures.

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.

Methods for patterning neurons in vitro have gradually improved and are used to investigate questions that are 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, we present an in vitro alternative to validate biophysical and computational models. In this work we use a combination of electron beam lithography and photolithography to create polydimethylsiloxane (PDMS) structures with features ranging from 150 nm 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 postsynaptic protein, PSD-95, we demonstrate functional synapses can form in this region.

A novel MEA architecture with excellent electrophysiological recordings is presented, where planar microelectrodes are replaced by localized 3 × 3 arrays of mushroom-shaped microstructures. The micro-mushrooms in this islets configuration are not for membrane engulfment but rather for somata entrapment and neurites embracement. As extracellular signals have a significant contribution from axons initial segment, this MEA design also addresses the electrode-neurites electrical coupling. These islets act as strong physical cues, causing topotaxis and increasing by two-fold the probability for somata to localize in the islets. We carry this topotaxis study not only with rat cortical neurons but also with human-derived SH-SY5Y cells.

Microelectrode arrays (MEAs) are widely used to study neuronal function in vitro. These devices allow concurrent non-invasive recording/stimulation of electrophysiological activity for long periods. However, the property of sensing signals from all sources around every microelectrode can become unfavorable when trying to understand communication and signal propagation in neuronal circuits. In a neuronal network, several neurons can be simultaneously activated and can generate overlapping action potentials, making it difficult to discriminate and track signal propagation. Considering this limitation, we have established an in vitro setup focused on assessing electrophysiological communication, which is able to isolate and amplify axonal signals with high spatial and temporal resolution. By interfacing microfluidic devices and MEAs, we are able to compartmentalize neuronal cultures with a well-controlled alignment of the axons and microelectrodes. This setup allows recordings of spike propagation with a high signal-to-noise ratio over the course of several weeks. Combined with specialized data analysis algorithms, it provides detailed quantification of several communication related properties such as propagation velocity, conduction failure, firing rate, anterograde spikes, and coding mechanisms. This protocol demonstrates how to create a compartmentalized neuronal culture setup over substrate-integrated MEAs, how to culture neurons in this setup, and how to successfully record, analyze and interpret the results from such experiments. Here, we show how the established setup simplifies the understanding of neuronal communication and axonal signal propagation. These platforms pave the way for new in vitro models with engineered and controllable neuronal network topographies. They can be used in the context of homogeneous neuronal cultures, or with co-culture configurations where, for example, communication between sensory neurons and other cell types is monitored and assessed. This setup provides very interesting conditions to study, for example, neurodevelopment, neuronal circuits, information coding, neurodegeneration and neuroregeneration approaches.

Understanding neuronal communication is fundamental in neuroscience, but there are few methodologies offering detailed analysis for well-controlled conditions. By interfacing microElectrode arrays with microFluidics (μEF devices), it is possible to compartmentalize neuronal cultures with a specified alignment of axons and microelectrodes. This setup allows the extracellular recording of spike propagation with a high signal-to-noise ratio over the course of several weeks. Addressing these μEF devices, we developed an advanced yet easy-to-use publically available computational tool, μSpikeHunter, which provides a detailed quantification of several communication-related properties such as propagation velocity, conduction failure, spike timings, and coding mechanisms. The combination of μEF devices and μSpikeHunter can be used in the context of standard neuronal cultures or with co-culture configurations where, for example, communication between sensory neurons and other cell types is monitored and assessed. The ability to analyze axonal signals (in a user-friendly, time-efficient, high-throughput manner) opens the door to new approaches in studies of peripheral innervation, neural coding, and neuroregeneration, among many others. We demonstrate the use of μSpikeHunter in dorsal root ganglion neurons where we analyze the presence of both anterograde and retrograde signals in μEF devices. A fully functional version of µSpikeHunter is publically available for download from https://github.com/uSpikeHunter .

Abstract Background Different pathologies, affecting the skeletal system, were reported to display altered bone and/or cartilage innervation profiles leading to the deregulation of the tissue homeostasis. The patterning of peripheral innervation is achieved through the tissue-specific expression of attractive or repulsive axonal guidance cues in specific space and time frames. During the last decade, emerging findings attributed to the extracellular vesicles (EV) trading a central role in peripheral tissue innervation. However, to date, the contribution of EV in controlling bone innervation is totally unknown. Results Here we show that sensory neurons outgrowth induced by the bone resorbing cells—osteoclasts—is promoted by osteoclast-derived EV. The EV induced axonal growth is achieved by targeting epidermal growth factor receptor (EGFR)/ErbB2 signaling/protein kinase C phosphorylation in sensory neurons. In addition, our data also indicate that osteoclasts promote sensory neurons electrophysiological activity reflecting a possible pathway in nerve sensitization in the bone microenvironment, however this effect is EV independent. Conclusions Overall, these results identify a new mechanism of sensory bone innervation regulation and shed the light on the role of osteoclast-derived EV in shaping/guiding bone sensory innervation. These findings provide opportunities for exploitation of osteoclast-derived EV based strategies to prevent and/or mitigate pathological uncontrolled bone innervation.

The axon is a neuronal structure capable of processing, encoding, and transmitting information. This assessment contrasts with a limiting, but deeply rooted, perspective where the axon functions solely as a transmission cable of somatodendritic activity, sending signals in the form of stereotypical action potentials. This perspective arose, at least partially, because of the technical difficulties in probing axons: their extreme length-to-diameter ratio and intricate growth paths preclude the study of their dynamics through traditional techniques. Recent findings are challenging this view and revealing a much larger repertoire of axonal computations. Axons display complex signaling processes and structure–function relationships, which can be modulated via diverse activity-dependent mechanisms. Additionally, axons can exhibit patterns of activity that are dramatically different from those of their corresponding soma. Not surprisingly, many of these recent discoveries have been driven by novel technology developments, which allow for in vitro axon electrophysiology with unprecedented spatiotemporal resolution and signal-to-noise ratio. In this review, we outline the state-of-the-art in vitro toolset for axonal electrophysiology and summarize the recent discoveries in axon function it has enabled. We also review the increasing repertoire of microtechnologies for controlling axon guidance which, in combination with the available cutting-edge electrophysiology and imaging approaches, have the potential for more controlled and high-throughput in vitro studies. We anticipate that a larger adoption of these new technologies by the neuroscience community will drive a new era of experimental opportunities in the study of axon physiology and consequently, neuronal function.

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.