Attività elettrica spontanea di neuroni mesencefalici in coltura misurata tramite multielettrodi planari (MEA)

The release of dopamine in the central nervous system comes from a population of dopaminergic neurons located in the ventral midbrain, divided into two different regions, the substantia nigra pars compacta (SNc) and the ventral tegmental area (VTA). From these regions there are projections to the nucleus of the striatum, limbic structures and the prefrontal cortex. Dopaminergic mesencephalic neurons play an important role in a variety of brain functions, such as motor control, cognitive processes, reward-based learning, motivation. Dysfunctions of the dopaminergic system include neurological disorders such as Parkinson's, schizophrenia, drug addiction. This thesis focuses on the study of the electrical activity (firing) of dopaminergic neurons, obtained by enzymatic dissociation from the substantia nigra and cultured for a period of three weeks on planar multielectrode arrays (MEA). This experimental model, although simplified compared to the intact brain or tissue slice, has the advantage of allowing the study of the intrinsic properties of dopaminergic neurons by excluding interactions with other brain nuclei and those deriving from feedback signals; it is also a valid model for evaluating early alterations associated with the onset of neurodegenerative diseases. By taking advantage of the self-excitability properties of these neurons and recording spontaneous electrical activity through the MEAs, in this thesis the development and maturation of the neuronal network over time, the progressive synchronization, the control exercised by the inhibitory and excitatory inputs, the modulation by dopamine have been studied. The final part of the thesis is focused on the functional alteration of the mesencephalic neurons in the presence of α-synuclein: although this protein plays an important physiological role in the process of exocytosis and synaptic transmission, when it is overexpressed or mutated, it is associated with several synucleinopathies, such as Parkinson's disease. This study opens new perspectives on the in vitro investigation of the mesencephalic neuronal population and, more specifically, of the dopaminergic one and its alterations in neurodegenerative pathologies.

Il rilascio di dopamina nel sistema nervoso centrale proviene da una popolazione di neuroni dopaminergici localizzati nel mesencefalo ventrale, distinti in due diverse regioni, la substantia nigra pars compacta (SNc) e l'area tegmentale ventrale (VTA). Da queste regioni ci sono proiezioni al nucleo dello striato, a strutture limbiche ed alla corteccia prefrontale. I neuroni mesencefalici dopaminergici esercitano un ruolo importante in una varietà di funzioni cerebrali, quali il controllo motorio, i processi cognitivi, l'apprendimento basato sulla ricompensa, la motivazione. Disfunzioni del sistema dopaminergico includono disturbi neurologici come il Parkinson, la schizofrenia, la dipendenza da droghe. Questa tesi è focalizzata sullo studio dell'attività elettrica (firing) dei neuroni dopaminergici, ottenuti per dissociazione enzimatica della substantia nigra e coltivati per un periodo di tre settimane su multielettrodi planari (MEA, MultiElectrode Array). Questo modello sperimentale, pur essendo semplificato rispetto al cervello intatto o alla fettina tissutale, ha il vantaggio di permettere lo studio delle proprietà intrinseche dei neuroni dopaminergici escludendo le interazioni con altri nuclei cerebrali e quelle derivanti dai segnali di feedback; inoltre costituisce un valido modello per valutare alterazioni precoci associate all'insorgenza di patologie neurodegenerative. Sfruttando le proprietà di autoeccitabilità di questi neuroni e registrando l'attività elettrica spontanea tramite i multi-elettrodi planari (MEA), in questa tesi sono stati studiati lo sviluppo e la maturazione della rete neuronale nel tempo, la progressiva sincronizzazione, il controllo esercitato da parte degli input inibitori ed eccitatori, la modulazione ad opera della dopamina. La parte finale della tesi è focalizzata sull'alterazione funzionale dei neuroni mesencefalici in presenza di α-sinucleina: questa proteina infatti, sebbene rivesta un ruolo fisiologico importante nel processo di esocitosi e trasmissione sinaptica, quando si trova sovraespressa o mutata, è associata a diverse sinucleinopatie, come il morbo di Parkinson. Questo studio apre nuove prospettive per l'indagine in vitro della popolazione neuronale mesencefalica e, più in particolare, di quella dopaminergica e delle sue alterazioni in patologie neurodegenerative.