Optical control of network formation in stem cell-derived neurons

干细胞源性神经元网络形成的光学控制

基本信息

  • 批准号:
    9128745
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 7.68万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-01 至 2018-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

 DESCRIPTION (provided by applicant): Neuronal loss is responsible for the profoundly devastating effects of neurological injury and disease for millions of patients worldwide, and the central nervous system has little capacity for self-repair. Regeneration of damaged neural circuitry with stem cell-derived neurons is a promising approach to the problem, particularly given the discovery that pluripotent stem cells can be derived by reprogramming a patient's own skin cells (induced pluripotent stem cells, iPSCs). However, functional integration of stem cell-derived neurons with host tissue continues to be a challenge met with few successes, and the field requires new and better tools to control stem cell fate and connectivity. We propose new optical methods to enable the construction of defined neural networks, where light is used to pattern specific neuronal subtypes and selectively connect them with target cell types. The approach uses a recently-described photosensitive bacterial transcription factor to drive gene expression as well as optogenetic control of neuronal spiking to selectively strengthen or weaken connections between specific populations of neurons. To demonstrate proof-of-concept, the project begins with a functional characterization of rat iPSC-derived neurons and subsequently generates pilot data to demonstrate the feasibility of using spatiotemporal patterns of light-activated gene expression and channel gating to build neural networks. For optical control of connectivity, the frequencies and patterns of stimulation are adopted from literature demonstrating either elimination or stabilization of synapses in mature neurons following optogenetic stimulation. For light-driven gene expression, the photosensitive transcription factor is delivered via recombinant replication-defective retroviruses with broad-spectrum neural promoters. Results are validated through a combination of whole-cell electrophysiology, identification of synaptic markers with immunohistochemistry, and spatially patterned optical induction of fluorescent reporter gene expression. These proof-of-concept studies will establish new protocols to control connectivity between specific neuronal populations with light, with the future potential to use a modified light-activated transcription factor to determine subtype specification. This will lay the foundation to use optical stimulation to define the identity and connectivity of neurons derived from stem cells, giving new tools to construct and reconstruct neural circuitry in vitro and in vivo in future work.
 描述(由适用提供):神经元丧失是为全球数百万患者的神经系统损伤和疾病造成的毁灭性影响,而中枢神经系统几乎没有自我修复的能力。用干细胞衍生的神经元的受损神经元的再生是解决该问题的一种有希望的方法,尤其是考虑到可以通过重新编程患者自己的皮肤细胞(诱导多能干细胞,IPSC)来得出多能干细胞的发现。但是,干细胞衍生的神经元与宿主组织的功能整合仍然是一个挑战,几乎没有成功,并且该领域需要新的,更好的工具来控制干细胞的命运和连通性。我们提出了新的光学方法,以实现定义的神经元网络的构建,在该网络中,光用于对特定的神经元亚型进行模型,并选择性地将它们与目标细胞类型相结合。该方法使用最近描述的光敏细菌转录因子来驱动基因表达以及对神经元尖峰的光遗传控制,以选择性地增强神经元特定群体之间的连接或弱连接。为了证明概念概念,该项目始于大鼠IPSC衍生神经元的功能表征,然后生成飞行员数据,以证明使用光激活基因表达的时空模式和通道门的可行性,并建立神经元网络。对于连通性的光控制,文献表明刺激的频率和刺激模式是在光遗传学刺激后的消除或稳定成熟神经元中突触的。对于轻度驱动的基因表达,光敏转录因子是通过具有广谱神经元启动子的重组复制缺陷逆转录病毒传递的。通过全细胞电生理学,具有免疫组织化学的突触标记的鉴定以及荧光报告基因表达的空间图案光学诱导的结合,可以验证结果。这些概念验证研究将建立新方案,以控制光线的特定神经元种群之间的连通性,未来使用改良的光激活转录因子来确定亚型规范的潜力。这将奠定基础,以使用光刺激来定义从干细胞衍生的神经元的身份和连通性,从而为未来工作中的体外和体内构造和重建神经回路的新工具。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Neuronal excitability and network formation on optically transparent electrode materials.
Differentiation and characterization of neurons derived from rat iPSCs.
  • DOI:
    10.1016/j.jneumeth.2020.108693
  • 发表时间:
    2020-05-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Setien MB;Smith KR;Howard K;Williams K;Suhr ST;Purcell EK
  • 通讯作者:
    Purcell EK
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作者:{{ showInfoDetail.author }}

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