Functional characterization of human pluripotent stem cell-derived cortical networks differentiated on laminin-521 substrate : comparison to rat cortical cultures

Human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neurons provide exciting opportunities for in vitro modeling of neurological diseases and for advancing drug development and neurotoxicological studies. However, generating electrophysiologically mature neuronal networks from hPSCs has been challenging. Here, we report the differentiation of functionally active hPSC-derived cortical networks on defined laminin-521 substrate. We apply microelectrode array (MEA) measurements to assess network events and compare the activity development of hPSC-derived networks to that of widely used rat embryonic cortical cultures. In both of these networks, activity developed through a similar sequence of stages and time frames; however, the hPSC-derived networks showed unique patterns of bursting activity. The hPSC-derived networks developed synchronous activity, which involved glutamatergic and GABAergic inputs, recapitulating the classical cortical activity also observed in rodent counterparts. Principal component analysis (PCA) based on spike rates, network synchronization and burst features revealed the segregation of hPSC-derived and rat network recordings into different clusters, reflecting the species-specific and maturation state differences between the two networks. Overall, hPSC-derived neural cultures produced with a defined protocol generate cortical type network activity, which validates their applicability as a human-specific model for pharmacological studies and modeling network dysfunctions.Peer reviewe

Ion Beam Assisted E-Beam Deposited TiN Microelectrodes—Applied to Neuronal Cell Culture Medium Evaluation

Microelectrode material and cell culture medium have significant roles in the signal-to-noise ratio and cell well-being in in vitro electrophysiological studies. Here, we report an ion beam assisted e-beam deposition (IBAD) based process as an alternative titanium nitride (TiN) deposition method for sputtering in the fabrication of state-of-the-art TiN microelectrode arrays (MEAs). The effects of evaporation and nitrogen flow rates were evaluated while developing the IBAD TiN deposition process. Moreover, the produced IBAD TiN microelectrodes were characterized by impedance, charge transfer capacity (CTC) and noise measurements for electrical properties, AFM and SEM for topological imaging, and EDS for material composition. The impedance (at 1 kHz) of brand new 30 μm IBAD TiN microelectrodes was found to be double but still below 100 kΩ compared with commercial reference MEAs with sputtered TiN microelectrodes of the same size. On the contrary, the noise level of IBAD TiN MEAs was lower compared with that of commercial sputtered TiN MEAs in equal conditions. In CTC IBAD TiN electrodes (3.3 mC/cm2) also outperformed the sputtered counterparts (2.0 mC/cm2). To verify the suitability of IBAD TiN microelectrodes for cell measurements, human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neuronal networks were cultured on IBAD TiN MEAs and commercial sputtered TiN MEAs in two different media: neural differentiation medium (NDM) and BrainPhys (BPH). The effect of cell culture media to hPSC derived neuronal networks was evaluated to gain more stable and more active networks. Higher spontaneous activity levels were measured from the neuronal networks cultured in BPH compared with those in NDM in both MEA types. However, BPH caused more problems in cell survival in long-term cultures by inducing neuronal network retraction and clump formation after 1–2 weeks. In addition, BPH was found to corrode the Si3N4 insulator layer more than NDM medium. The developed IBAD TiN process gives MEA manufacturers more choices to choose which method to use to deposit TiN electrodes and the medium evaluation results remind that not only electrode material but also insulator layer and cell culturing medium have crucial role in successful long term MEA measurements

Simulation of developing human neuronal cell networks

BACKGROUND: Microelectrode array (MEA) is a widely used technique to study for example the functional properties of neuronal networks derived from human embryonic stem cells (hESC-NN). With hESC-NN, we can investigate the earliest developmental stages of neuronal network formation in the human brain. METHODS: In this paper, we propose an in silico model of maturating hESC-NNs based on a phenomenological model called INEX. We focus on simulations of the development of bursts in hESC-NNs, which are the main feature of neuronal activation patterns. The model was developed with data from developing hESC-NN recordings on MEAs which showed increase in the neuronal activity during the investigated six measurement time points in the experimental and simulated data. RESULTS: Our simulations suggest that the maturation process of hESC-NN, resulting in the formation of bursts, can be explained by the development of synapses. Moreover, spike and burst rate both decreased at the last measurement time point suggesting a pruning of synapses as the weak ones are removed. CONCLUSIONS: To conclude, our model reflects the assumption that the interaction between excitatory and inhibitory neurons during the maturation of a neuronal network and the spontaneous emergence of bursts are due to increased connectivity caused by the forming of new synapses.BioMed Central open acces

Liikkumaan rajoitteista huolimatta : soveltavan liikuntakurssin suunnittelu ja toteutus

Toiminnallisen opinnäytetyön tarkoituksena oli tuottaa yhteistyökumppanimme Liikuntakeskus Pajulahden toimintaan soveltuva tuote, joka tässä tapauksessa oli soveltavan liikunnan kurssi. Tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa pilottiryhmänä toimineelle Valkku-opiskelijaryhmälle liikuntakurssi, joka on helposti sovellettavissa myös muille ryhmille. Opinnäytetyö oli osana Soveltavan Liikunnan Osaamis- ja Resurssikeskus -hankkeen toimintaa. Liikuntakurssin tavoitteena oli tarjota ryhmäläisille mahdollisuus kokeilla erilaisia liikuntalajeja ja kannustaa heitä liikunnan pariin. Kurssin lajikokeilujen tavoitteena oli saada ryhmäläiset ymmärtämään liikkumisen haasteita toisten ryhmäläisten näkökulmasta. Tavoitteena oli myös samalla viikolla opiskelunsa aloittaneiden Valkku-opiskelijoiden ryhmäytyminen ja heidän tutustuttaminen uuteen opiskelupaikkaansa käyttäen keinoina erilaisia soveltavan liikunnan mahdollisuuksia. Teoriaosuudessa käsiteltiin soveltavaa liikuntaa ja terveysliikuntaa. Teoriaosuuden tarkoituksena oli toimia apuna soveltavan liikunnnan kurssia suunniteltaessa. Kurssin tuottamisessa noudatettiin tuotteistamisprosessin viisivaiheista mallia. Teoriaosuudessa käsiteltiin tarkemmin myös tuotteistamisprosessin vaiheita, jotka olivat ongelmien tai kehittämistarpeiden tunnistamisvaihe, ideavaihe, tuotteen luon-nostelu, tuotteen kehittely ja tuotteen viimeistelyvaihe. Soveltavan liikunnan pilottikurssi järjestettiin Liikuntakeskus Pajulahdessa 31.8–2.9.2010. Kurssin aikana pyrittiin saavuttamaan kurssille asetetut tavoitteet erilaisten lajikokeiluiden sekä ryhmäytymisharjoitusten avulla. Ryhmältä ja yhteyshenkilöltämme saadun palautteen perusteella kurssi soveltui hyvin ryhmälle ja pääosa tavoitteista saavutettiin. Ryhmäytymiseen olisi pitänyt kiinnittää vielä enemmän huomiota lajeja ja pelejä valitessa.The objective of this functional thesis was to produce a standard for a course of adapted physical activity. This standard should be modifiable and suitable for the activities of our partner Pajulahti Sports Center. The aim of the thesis was to plan and implement an adapted physical activity course for a pilot group called Valkku-group that consists of six students with physical disabilities. The thesis was a part of the action in The Learning and Resource Center of Adapted Physical Activity -project in Pajulahti Sports Center. The goal of the adapted physical activity course was to give the Valkku-group a possibility to try different kinds of sports, to encourage them to take exercise as a part of everyday life and to make them understand each other’s challenges of mov-ing. As the group started their studies in the Pajulahti Sports Center at the same time with this course, one goal was also to get the participants acquainted with each other and to support them in group development. The theoretical basis of thesis consisted of adapted physical activity and health-enhancing physical activity. The relevance of the theoretical part was to support the planning of the course. To produce the standard of this course, a product de-velopment process was used as a method. The five phases of the process are (1) recognizing problems or subjects needing development, (2) idea phase, (3) product sketching, (4) improving product and (5) finishing product. The pilot course based on the produced standard was held in Pajulahti Sports Cen-ter from August 31st to September 2nd 2010. To achieve the goals of the course, different sports and group building exercises were used. The feedback from the participants and the contact person in Pajulahti Sports Center was that the course suited well the group and most of the goals were achieved. More attention should have been paid to group development when choosing the sports and games for the course

Functionality of human stem cell-derived neuronal networks - biomimetic environment and characterization

Solusiirtohoidot nähdään yhtenä keskushermoston vakavien sairauksien ja traumojen tulevaisuuden hoitomuotona. Erityisesti kantasoluista erilaistetut solut voisivat olla sopiva solulähde näihin soluterapioihin. Ihmisalkion kantasoluista erilaistetut solut ovat potentiaalisia soluja näihin hoitoihin ja niitä onkin saatu onnistuneesti erilaistettua keskushermoston eri solutyypeiksi. Ihmisen kantasoluista erilaistetuttuja hermosoluja voidaan käyttää myös erilaisissa laboratorio-olosuhteissa, in vitro, toteutettavissa analyyseissä. Näitä ovat lääkeainemallinnus ja -tutkimus, kemikaalien myrkyllisyysmääritykset, kehitysbiologiset mallit sekä potilaskohtainen diagnostiikka. Ihmisperäisistä kantasoluista erilaistetuista hermosoluista ja niiden toiminnallisuudesta tiedetään kuitenkin vielä vähän. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin näiden sekä kliinisesti että in vitro mallinnuksen kannalta tärkeiden solujen sähköistä aktiivisuutta. Työ osoitti, että erilaistetut hermosolut muodostavat laboratorio-olosuhteissa verkoston, joka kykenee itsenäiseen sähköiseen viestintään kuten aivoissa toimivat hermoverkot. Tässä työssä näitä sähköisesti aktiivisia hermosoluverkostoja altistettiin elohopealle. Elohopea on tunnettu hermostoon vaikuttava myrkky, ja tällä työllä osoitettiin, että ihmisperäiset kantasoluista erilaistetut hermosolut soveltuvat laboratorio-olosuhteissa tehtäviin myrkyllisyysmäärityksiin. Laboratoriossa viljeltävät solut kasvavat yleensä kaksiulotteisesti maljan pohjalla. Tämä ei kuitenkaan vastaa elimistössä toimivia soluja, jotka ovat järjestäytyneet kolmiulotteisesti ja vuorovaikuttavat keskenään kaikkiin suuntiin. Siksi tässä työssä tutkittiin myös biomateriaalirakenteita, joiden avulla kantasoluista erilaistettuja hermosoluja voidaan kasvattaa kolmiulotteisessa ympäristössä. Työssä testattiin hydrogeelimateriaalia, joka soveltuu hyvin ihmisperäisistä kantasoluista erilaistettujen hermosolujen kolmiulotteiseksi kasvualustaksi. Myös solujen kyky muodostaa sähköisesti aktiivisia verkostoja kolmiulotteisessa rakenteessa varmistettiin. Johtopäätöksenä tästä työstä voidaan todeta, että ihmisalkion kantasoluista erilaistetut hermosolut kykenevät muodostamaan laboratorio-olosuhteissa sähköisesti aktiivisen verkoston, jota voidaan tulevaisuudessa hyödyntää niin lääkeaineiden kuin myrkkyjen tai aivojen kehityksen tutkimuksessa. Lisäksi näillä soluilla on mahdollisuuksia tulevaisuuden solusiirreterapioissa. Soluista tarvitaan kuitenkin vielä paljon lisää tietoa, ennen kuin niillä voidaan hoitaa potilaita. Lisäksi solujen kasvatus- ja erilaistusmenetelmiä tulee vielä parantaa ennen kuin näitä soluja voidaan käyttää turvallisesti soluterapioihin tai esimerkiksi validoituihin myrkyllisyysmäärityksiin.Cell transplantation therapies provide new hope for central nervous system deficits. In particular, stem cells are a potential source for new regenerative therapies. Human embryonic stem cells (hESC) are considered to be useful for transplantation therapies as they can be successfully differentiated into central nervous system cell types, i.e., neurons, astrocytes, and oligodendrocytes, in sufficient quantities. Another interesting pluripotent cell type, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), was recently identified as a potential source for clinical applications. Both of these pluripotent stem cell types also have rather high potential for in vitro platforms. Thus, these cells can be used for toxicology studies, drug screening, developmental research, and patient-specific drug research and diagnostics. Before the full benefits of these cells can be realized, however, they must be intensively studied in a more in vivo like, i.e., biomimetic, environment, in three-dimensional (3D) structures. In 3D, cells interact and behave more like their in vivo counterparts. Thus, for in vitro models as well as research aimed at regenerative medicine, cells should be tested in a 3D environment. In the present study, a large variety of natural and synthetic biomaterials as growth surfaces or 3D matrices were tested for application to hESC-derived neuronal cells. One synthetic self-assembled peptide hydrogel, PuraMatrix, was also tested in 3D. Human ESC-derived neuronal cells grew and matured in this 3D scaffold. One of the most important functions of neuronal cells, in addition to their chemical activity, is their electrical activity. Thus, the characteristics of hESC- or hiPSC-derived neuronal cells must be evaluated at the functional, i.e., electrophysiologic level. The electrical activity of hESC-derived neuronal cells at the network level was evaluated using a microelectrode array (MEA) method and the cell culture measurement environment was further improved for that specific cell type. The electrical measurement methods can be used for in vitro toxicology studies, as they allow for continuous, noninvasive, and sensitive characterization. Here, we evaluated and confirmed the validity of hESC-derived neuronal cells and the MEA measurement platform for in vitro neurotoxicity analysis. The electrical activity of hESC-derived neuronal cells was also evaluated in a 3D scaffold in which cells were encapsulated inside a hydrogel. The cells formed a functional neuronal network in this biomimetic 3D environment, thus providing a platform for in vitro toxicology studies the results can be applied to further improve the field of neuronal tissue engineering. More detailed information about the activity of hESC-derived neuronal cells and their networks are needed before these cells can be reliably used in transplantation therapies. Moreover, further optimization is needed for cell differentiation and maturation processes as well as for data analysis before these cells on MEA can be used as a valid in vitro neurotoxicity platform

Functionality of human stem cell-derived neuronal networks - biomimetic environment and characterization

Solusiirtohoidot nähdään yhtenä keskushermoston vakavien sairauksien ja traumojen tulevaisuuden hoitomuotona. Erityisesti kantasoluista erilaistetut solut voisivat olla sopiva solulähde näihin soluterapioihin. Ihmisalkion kantasoluista erilaistetut solut ovat potentiaalisia soluja näihin hoitoihin ja niitä onkin saatu onnistuneesti erilaistettua keskushermoston eri solutyypeiksi. Ihmisen kantasoluista erilaistetuttuja hermosoluja voidaan käyttää myös erilaisissa laboratorio-olosuhteissa, in vitro, toteutettavissa analyyseissä. Näitä ovat lääkeainemallinnus ja -tutkimus, kemikaalien myrkyllisyysmääritykset, kehitysbiologiset mallit sekä potilaskohtainen diagnostiikka. Ihmisperäisistä kantasoluista erilaistetuista hermosoluista ja niiden toiminnallisuudesta tiedetään kuitenkin vielä vähän. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin näiden sekä kliinisesti että in vitro mallinnuksen kannalta tärkeiden solujen sähköistä aktiivisuutta. Työ osoitti, että erilaistetut hermosolut muodostavat laboratorio-olosuhteissa verkoston, joka kykenee itsenäiseen sähköiseen viestintään kuten aivoissa toimivat hermoverkot. Tässä työssä näitä sähköisesti aktiivisia hermosoluverkostoja altistettiin elohopealle. Elohopea on tunnettu hermostoon vaikuttava myrkky, ja tällä työllä osoitettiin, että ihmisperäiset kantasoluista erilaistetut hermosolut soveltuvat laboratorio-olosuhteissa tehtäviin myrkyllisyysmäärityksiin. Laboratoriossa viljeltävät solut kasvavat yleensä kaksiulotteisesti maljan pohjalla. Tämä ei kuitenkaan vastaa elimistössä toimivia soluja, jotka ovat järjestäytyneet kolmiulotteisesti ja vuorovaikuttavat keskenään kaikkiin suuntiin. Siksi tässä työssä tutkittiin myös biomateriaalirakenteita, joiden avulla kantasoluista erilaistettuja hermosoluja voidaan kasvattaa kolmiulotteisessa ympäristössä. Työssä testattiin hydrogeelimateriaalia, joka soveltuu hyvin ihmisperäisistä kantasoluista erilaistettujen hermosolujen kolmiulotteiseksi kasvualustaksi. Myös solujen kyky muodostaa sähköisesti aktiivisia verkostoja kolmiulotteisessa rakenteessa varmistettiin. Johtopäätöksenä tästä työstä voidaan todeta, että ihmisalkion kantasoluista erilaistetut hermosolut kykenevät muodostamaan laboratorio-olosuhteissa sähköisesti aktiivisen verkoston, jota voidaan tulevaisuudessa hyödyntää niin lääkeaineiden kuin myrkkyjen tai aivojen kehityksen tutkimuksessa. Lisäksi näillä soluilla on mahdollisuuksia tulevaisuuden solusiirreterapioissa. Soluista tarvitaan kuitenkin vielä paljon lisää tietoa, ennen kuin niillä voidaan hoitaa potilaita. Lisäksi solujen kasvatus- ja erilaistusmenetelmiä tulee vielä parantaa ennen kuin näitä soluja voidaan käyttää turvallisesti soluterapioihin tai esimerkiksi validoituihin myrkyllisyysmäärityksiin.Cell transplantation therapies provide new hope for central nervous system deficits. In particular, stem cells are a potential source for new regenerative therapies. Human embryonic stem cells (hESC) are considered to be useful for transplantation therapies as they can be successfully differentiated into central nervous system cell types, i.e., neurons, astrocytes, and oligodendrocytes, in sufficient quantities. Another interesting pluripotent cell type, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), was recently identified as a potential source for clinical applications. Both of these pluripotent stem cell types also have rather high potential for in vitro platforms. Thus, these cells can be used for toxicology studies, drug screening, developmental research, and patient-specific drug research and diagnostics. Before the full benefits of these cells can be realized, however, they must be intensively studied in a more in vivo like, i.e., biomimetic, environment, in three-dimensional (3D) structures. In 3D, cells interact and behave more like their in vivo counterparts. Thus, for in vitro models as well as research aimed at regenerative medicine, cells should be tested in a 3D environment. In the present study, a large variety of natural and synthetic biomaterials as growth surfaces or 3D matrices were tested for application to hESC-derived neuronal cells. One synthetic self-assembled peptide hydrogel, PuraMatrix, was also tested in 3D. Human ESC-derived neuronal cells grew and matured in this 3D scaffold. One of the most important functions of neuronal cells, in addition to their chemical activity, is their electrical activity. Thus, the characteristics of hESC- or hiPSC-derived neuronal cells must be evaluated at the functional, i.e., electrophysiologic level. The electrical activity of hESC-derived neuronal cells at the network level was evaluated using a microelectrode array (MEA) method and the cell culture measurement environment was further improved for that specific cell type. The electrical measurement methods can be used for in vitro toxicology studies, as they allow for continuous, noninvasive, and sensitive characterization. Here, we evaluated and confirmed the validity of hESC-derived neuronal cells and the MEA measurement platform for in vitro neurotoxicity analysis. The electrical activity of hESC-derived neuronal cells was also evaluated in a 3D scaffold in which cells were encapsulated inside a hydrogel. The cells formed a functional neuronal network in this biomimetic 3D environment, thus providing a platform for in vitro toxicology studies the results can be applied to further improve the field of neuronal tissue engineering. More detailed information about the activity of hESC-derived neuronal cells and their networks are needed before these cells can be reliably used in transplantation therapies. Moreover, further optimization is needed for cell differentiation and maturation processes as well as for data analysis before these cells on MEA can be used as a valid in vitro neurotoxicity platform

Les onomatopés anglaises introduites en français par la bande dessinée

Kieli ei ole pysyvä kokonaisuus, vaan käyttäjiensä jatkuvasti muokkaama järjestelmä. Esimerkiksi yhteiskunnalliset ja poliittiset muutokset vaikuttavat myös kieleen. Kielenkäyttäjät myös ottavat usein vaikutteita muista kielistä ja nämä kielikontaktit voivat saada aikaan pysyviäkin muutoksia kielessä. Kielikontakti tapahtuu usein kahden eri kielen puhujien välityksellä, mutta myös kirjoitettu kieli voi toimia kontaktin kanavana. Esimerkiksi sanat voivat siirtyä kielestä toiseen erilaisten tekstien välityksellä. Kielen muutokset näkyvätkin selvimmin sanoissa ja muista kielistä lainaaminen on kenties yleisin tapa luoda kieleen uusia sanoja. Sarjakuvat ovat yksi esimerkki kirjoitetun kielen kanavasta, jonka välityksellä kielikontakti voi tapahtua. Amerikkalaisen sarjakuvan suuri suosio 1930-luvulla vaikutti merkittävästi myös eurooppalaiseen sarjakuvaan ja tämä vaikutus näkyy esimerkiksi englanninkielisten sanojen käytössä. Etenkin englanninkieliset onomatopoeettiset sanat, eli sarjakuvien ääntä kuvaavat efektisanat, yleistyivät myös eurooppalaisissa sarjakuvissa. Onomatopoeettisten sanojen kääntäminen sarjakuvissa voi olla usein teknisesti ja kielellisesti vaikeaa, joten ne saatetaan usein jättää kääntämättä. Amerikkalaisten sarjojen kautta nämä sanat levisivät edelleen myös eurooppalaisten tekijöiden sarjakuviin. Esimerkiksi ranskalaisessa sarjakuvassa englanninkieliset efektisanat kuten sniff tai slurp ovat erittäin yleisiä. Näiden efektisanojen käyttö ei kuitenkaan rajoitu pelkästään sarjakuviin, vaan niitä käytetään myös muissa ranskankielisissä teksteissä. Tutkimuksessani halusinkin selvittää mitkä englanninkieliset efektisanat ovat levinneet sarjakuvista yleisempään käyttöön ranskan kielessä ja miten näitä sanoja käytetään sarjakuvien ulkopuolella. Tutkimusaineiston ensimmäinen osa käsittää 36 ranskankielistä sarjakuva-albumia ja niissä käytetyt englanninkieliset efektisanat. Toinen osa koostuu esimerkeistä näiden sanojen käytöstä muissa teksteissä sekä ranskankielen sanakirjoissa. Tutkimuksestani selviää, että on selkeästi olemassa sanoja, jotka ovat levinneet yleisempään käyttöön juuri sarjakuvien vaikutuksesta. Nämä sanat ovat yleensä erittäin yleisiä ranskalaisissa sarjakuvissa ja niiden käytöstä löytyy useita esimerkkejä myös muista teksteistä. Voidaan arvioida, että tutkituista sanoista 43 % on siirtynyt laajempaan käyttöön ranskankielessä. Lisäksi on joukko sanoja (17 %), joiden käyttö on melko yleistä muissa teksteissä, mutta ei tutkituissa sarjakuvissa. Näissä tapauksissa sarjakuvien osuutta sanojen lainaamisessa ei siis voida vahvistaa. Näiden ryhmien väliin jää joukko sanoja, jotka eivät ole erityisen yleisiä tutkituissa sarjakuvissa eivätkä muissa teksteissä (30 %). Yleisesti voidaan sanoa, että efektisanojen käyttö kielessä on sitä monipuolisempaa, mitä enemmän sanaa käytetään. Ne voivat yleistyessään saada esimerkiksi uusia merkityksiä. Sarjakuvissa onomatopoeettinen sana esiintyy yleensä pelkkänä efektinä, kun taas tekstissä sama sana voi esiintyä varsinaisessa tai kuvainnollisessa merkityksessä, sekä esimerkiksi substantiivina tai verbinä. Voidaan siis todeta, että efektisanat myös jatkavat kehitystään kielen sisällä lainautumisen jälkeen