A Single-Cell Model for Synaptic Transmission and Plasticity in Human iPSC-Derived Neurons

Synaptic dysfunction is associated with many brain disorders, but robust human cell models to study synaptic transmission and plasticity are lacking. Instead, current in vitro studies on human neurons typically rely on spontaneous synaptic events as a proxy for synapse function. Here, we describe a standardized in vitro approach using human neurons cultured individually on glia microdot arrays that allow single-cell analysis of synapse formation and function. We show that single glutamatergic or GABAergic forebrain neurons differentiated from human induced pluripotent stem cells form mature synapses that exhibit robust evoked synaptic transmission. These neurons show plasticity features such as synaptic facilitation, depression, and recovery. Finally, we show that spontaneous events are a poor predictor of synaptic maturity and do not correlate with the robustness of evoked responses. This methodology can be deployed directly to evaluate disease models for synaptic dysfunction and can be leveraged for drug development and precision medicine. This multisite study by Meijer et al. establishes a standardized in vitro approach to study synapse formation and function in single iPSC-derived human neurons. They validate this approach for GABA and glutamatergic human neurons. The methodology is scalable and suitable for compound screening and disease modeling

Тепловий потік, термічна історія материнської нижнеюрских Тогурской свити і нафтогазоносність палеозою Колтогорского мезопрогіба (південний сегмент Колтогорско-Уренгойського палеоріфта)

Input of the pre-Jurassic («Paleozoic») oil is important to the reproduction of the in-situ resources base of Western Siberian oil and gas extraction. Prospecting and forecasting studies of the pre-Jurassic reservoirs in the territory of the Koltogor mezodepression and structures of its surrounding — in the north-western part of Tomsk Region, in the zone of the southern segment of the Koltogor-Urengoy Permian-Triassic paleorift are of interest. The pre-Jurassic oil and gas complex(oil and gas bearing horizon of the contact zone— OGBHCZ and, actually, the Inner Paleozoic) is assigned along with the Cretaceous (the Neocomian), Upper Jurassic, Middle Jurassic and Lower Jurassic oil and gas complexes in the study area. It is accepted that the Upper Jurassic Bazhenov suite is the oil source formation for the Middle Jurassic, Upper Jurassic and Cretaceous oil and gas complexes, as well as Togurskaya suite — for the Lower Jurassic and pre-Jurassic deposits. Researches are carried out in the context of the methodology of the sedimentary and migrational theory of naftidogenesis. Spatiotemporal localization of the generation foci of Togurskaya oil is performed with the original method of paleotemperature modeling. The heat flow in sections of 82 deep wells is calculated at the first stage of modeling. At the following stages the oil source suite geotemperatures are directly figured up in key moments of geological time. The integral express-assessment of realization of generation potential of the suite is performed on the base of calculated data about time of the oil source suite residence in the main oil generation zone and its geotemperatures. Vewing to the concept about predominantly vertical migration of hydrocarbons the forecasting is carried out in the outline of the oil source suite distribution. Schemes of distribution of Togurskaya oil accumulation density are built and zoning of deposits is performed taking into account the thickness and quality of potential reservoirs of the pre-Jurassic deposits. Oil geological zoning of the pre-Jurassic complex and ranking areas according to the degree of prospect abilities were accomplished. The most forward-looking zone for prospecting in the weathering crust reservoir is the area, which comprises the eastern part of the Cheremshanskaya mezzo saddle and its articulation with the northern side of the Koltogor mezodepression and the western slope of the Srednevasyuganskiy megaswell (in the order of 3500 km2). The most optimistic forecast for the Inner Paleozoic reservoir is made for the same areas as for the weathering crust, less optimistic — for the Severo-Chkalovskiy incised valley and its articulation with the Murasovskiyhigh and Trassovoe dome-shaped uplift (in the order of 5700 km2).Consistency of the forecast with established direct evidence of oil saturation amounts to 70 %. Detailed map of the heat flow density in the study area showed that the trench of the Koltogor-Urengoy graben-rift does not have significant manifestation in enhanced values of the heat flow. The article demonstrates methodological approaches and complex technology of zonal forecasting of oil and gas potential of the pre-Jurassic basement of Western Siberia, which are working out by Tomsk research school of Geothermy.В воспроизведении сырьевой базы Западно центра нефтегазодобычи важным вклад доюрськои ( "палеозойской") нефти. Представляют интерес прогнозно-поисковые исследования доюрських резервуаров на территории Колтогорського мезопро-погибаю и структур его обрамления - на северо-западе Томской области, в зоне южного сегмента Колтогорсько-Уренгойского пермо-триасового палеорифту. На территории исследований наряду с меловым (неокомских), верхнеюрского, средньоюрським, нижньоюрським нефтегазоносными комплексами выделено и доюрского (горизонт зоны контакта - НГГЗК и собственно внутренний палеозой). Принято, что для се-редньоюрського, верхнеюрского и мелового нефтегазоносных комплексов материнской есть верхнеюрского баженовська света, для залежей нижньоюрського и доюрського комплексов - тогурска света. Исследование выполнено в контексте методологии осадочно-миграционной теории нафтидогенезу. Пространственно-временную локализацию очагов генерации тогурськои нефти осуществлено оригинальным методом палеотемпературного моделирования. На первом этапе моделирования рассчитан тепловой поток в разрезах 82 глубоких скважин. На следующих этапах непосредственно вычисляли гео-температуры в материнской мире на ключевые моменты геологического времени. Интегральную экспресс-оценку реализации генерационные потенциала мира выполнен на основании расчетных данных по времени нахождения материнской миры в главной зоне нефтеобразования и ее геотемператур. В соответствии с концепцией о преимущественно вертикальную миграцию углеводородов прогнозирования проведено в контуре распространение нефте- материнской мира. С учетом мощности и качестве потенциальных коллекторов доюрських резервуаров построены схемы распределения плотности аккумуляции тогурськои нефти и проведено районирование резервуаров. Выполнен зональное нафтогеологичне районирования доюрського комплекса и ранжирование земель по степени перспективности. Перспективной для поисков в резервуаре коры выветривания есть зона, охватывающая восточную часть Черемшанськои мезоседловины и ее сочленения с северным бортом Колтогорського мезопрогину и западным склоном Средньовасюганського мегавала (порядка 3500 км2). Оптимистичному является прогноз для резервуара внутреннего палеозоя - для тех же земель, и для коры выветривания, менее оптимистичен - для Пивничночкаловського вреза и его сочленения с Мурасовським выступлением и трассовых куполообразным поднятием (около 5700 км2). Согласованность прогноза и установленных прямых признаков нафтонасичення составляет 70%. Детализированная карта плотности теплового потока территории исследований показала, что желоб Колтогорсько-Уренгойского грабен-рифта существенно не проявляется в повышенных значениях теплового потока. Описаны методические подходы и комплексную технологию зонального прогнозирования нефтегазоносности доюрськои основы Западной Сибири, которые разрабатывает Томска исследовательская школа геотермики.У відтворенні сировинної бази Західносибірського центру нафтогазовидобутку важливим є внесок доюрської ("палеозойської") нафти. Становлять інтерес прогнозно-пошукові дослідження доюрських резервуарів на території Колтогорського мезопро-гину і структур його обрамлення — на північному заході Томської області, в зоні південного сегмента Колтогорсько-Уренгойського пермо-тріасового палеорифту. На території досліджень поряд з крейдяним (неокомським), верхньоюрським, средньоюрським, нижньоюрським нафтогазоносними комплексами виділено і доюрский (горизонт зони контакту — НГГЗК і власне внутрішній палеозой). Прийнято, що для се-редньоюрського, верхньоюрського і крейдяного нафтогазоносних комплексів материнською є верхньоюрська баженовська світа, для покладів нижньоюрського і доюрського комплексів — тогурска світа. Дослідження виконано у контексті методології осадово-міграційної теорії нафтидогенезу. Просторово-часову локалізацію осередків генерації тогурської нафти здійснено оригінальним методом палеотемпературного моделювання. На першому етапі моделювання розраховано тепловий потік у розрізах 82 глибоких свердловин. На наступних етапах безпосередньо обчислювали гео-температури у материнській світі на ключові моменти геологічного часу. Інтегральну експрес-оцінку реалізації генераційного потенціалу світи виконано на підставі розрахункових даних щодо часу знаходження материнської світи у головній зоні нафтоутворення і її геотемператур. У відповідності до концепції про переважно вертикальну міграцію вуглеводнів прогнозування проведено в контурі поширення нафто-материнської світи. З урахуванням потужності і якості потенційних колекторів доюрських резервуарів побудовано схеми розподілу щільності акумуляції тогурської нафти і проведено районування резервуарів. Виконано зональне нафтогеологічне районування доюрського комплексу і ранжування земель за ступенем перспективності. Найперспективнішою для пошуків у резервуарі кори вивітрювання є зона, що охоплює східну частину Черемшанської мезоседловини і її зчленування з північним бортом Колтогорського мезопрогину і західним схилом Средньовасюганського мегавалу (порядку 3500 км2). Найоптимістичнішим є прогноз для резервуара внутрішнього палеозою — для тих самих земель, що і для кори вивітрювання, менш оптимістичний — для Північночкаловського врізу та його зчленування з Мурасовським виступом і трасовим куполоподібним підняттям (близько 5700 км2). Узгодженість прогнозу і встановлених прямих ознак нафтонасичення становить 70 %. Деталізована карта щільності теплового потоку території досліджень показала, що жолоб Колтогорсько-Уренгойського грабен-рифту суттєво не проявляється у підвищених значеннях теплового потоку. Описано методичні підходи та комплексну технологію зонального прогнозування нафтогазоносності доюрської основи Західного Сибіру, які розробляє Томська дослідницька школа геотерміки

An autaptic culture system for standardized analyses of iPSC-derived human neurons

Summary: iPSC-derived human neurons are expected to revolutionize studies on brain diseases, but their functional heterogeneity still poses a problem. Key sources of heterogeneity are the different cell culture systems used. We show that an optimized autaptic culture system, with single neurons on astrocyte feeder islands, is well suited to culture, and we analyze human iPSC-derived neurons in a standardized, systematic, and reproducible manner. Using classically differentiated and transcription factor-induced human glutamatergic and GABAergic neurons, we demonstrate that key features of neuronal morphology and function, including dendrite structure, synapse number, membrane properties, synaptic transmission, and short-term plasticity, can be assessed with substantial throughput and reproducibility. We propose our optimized autaptic culture system as a tool to study functional features of human neurons, particularly in the context of disease phenotypes and experimental therapy. : Rhee et al. establish an autaptic culture system of single iPSC-derived human neurons on astrocyte micro-islands, which allows for standardized assays of neuronal morphology, membrane properties, synapse function, and synaptic short-term plasticity. Keywords: iPSC-derived human neurons, neurogenin-induced neurons, human glutamatergic neurons, human GABAergic neurons, autaptic neuron culture system, electrophysiology, axons, synaptic plasticity, synaptogenesis of human neurons, synaptic vesicle dynamic