3Brain高分辨微電極陣列分析系統(tǒng)在類腦研究中的經(jīng)典文獻(xiàn)案例分享

類腦研究是當(dāng)前科技領(lǐng)域最具前瞻性和戰(zhàn)略意義的方向之一。目前，我國的研究者也正在前赴后繼的在類腦領(lǐng)域發(fā)力。在對類腦的探索過程中，瑞士3Brain公司的高分辨微電極陣列分析系統(tǒng)以冠絕世界的性能和功能，幫助研究者對類腦樣本進(jìn)行多維度、多方位的功能研究。接下來， 我們將介紹3Brain高分辨微電極陣列分析系統(tǒng)在類腦研究中的經(jīng)典文獻(xiàn)案例。

1 腦皮層嵌合體類器官的毒理易感性研究
來自哈佛大學(xué)干細(xì)胞研究中心的Paola Arlotta研究團(tuán)隊在2024年Nature上發(fā)表了《Brain Chimeroids reveal individual susceptibility to neurotoxic triggers》（腦嵌合體揭示個體對神經(jīng)毒性觸發(fā)因素的易感性）。

在該研究中，研究者建立并驗證了一種名為 “Chimeroids” 的新型多捐贈者人腦皮質(zhì)類器官模型，并通過3Brain高分辨微電極陣列分析系統(tǒng)研究個體間遺傳差異對神經(jīng)發(fā)育疾病毒理易感性的影響。

S5I-L: i)皮層類器官被放置在HD-MEA芯片上。j) 4個月大的多捐贈者NSC嵌合體腦類器官中記錄到的網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)活動圖譜：圖譜中的每個像素代表一個電極（左圖），右側(cè)顯示的是從活躍電極中記錄到的動作電位示例原始信號圖。K) 代表在15分鐘記錄期內(nèi)，活躍電極(Active Unit)（共139個，定義為在腦類器官輪廓內(nèi)平均放電頻率(MFR) > 0.15 次/秒的電極）的放電光柵圖。Network Burst網(wǎng)絡(luò)簇放電活動大約從5分鐘左右開始出現(xiàn)。L)AMPA和NMDA受體阻斷劑（D-AP5, 150 µM; DNQX 60 µM）對Neuron Activity/Network Burst的影響（左圖）；右側(cè)趨勢圖顯示4個NSC嵌合體的Network Burst的爆發(fā)活動變化。

研究者為評估功能成熟度，借助3Brain高分辨微電極陣列分析系統(tǒng)對混合2號NSC嵌合體在體外培養(yǎng)4個月（MIV4）時期進(jìn)行了檢測——該階段類器官模型通常已具備電生理活性（參見方法部分）。研究者檢測到網(wǎng)絡(luò)同步爆發(fā)（Network Synchrony Burst）活動，該活動可被NMDA與AMPA受體拮抗劑完全抑制，表明這種協(xié)同活動是由谷氨酸能突觸傳遞所驅(qū)動。此現(xiàn)象與既往報道的同齡單捐贈者皮層類器官的特征一致（S5I-L）。綜上所述，NSC嵌合體在發(fā)育特征上與采用已發(fā)表的protocol構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)皮質(zhì)類器官相似，同時保留了在多細(xì)胞類型中呈現(xiàn)多元遺傳背景的能力。

2 培養(yǎng)具有延髓脊髓三叉神經(jīng)核的人區(qū)域特異性腦類器官
2024年10月3日，上�？萍即髮W(xué)向陽飛老師團(tuán)隊在Cell Stem Cell期刊上發(fā)表了《Generation of human region-specific brain organoids with medullary spinal trigeminal nuclei》。大腦中許多功能由特定核團(tuán)（nuclei） 控制，但目前缺乏能模擬人類延髓（medulla）， 特別是脊髓三叉神經(jīng)核（SpV） 的體外模型。此外，SpV 是處理頭部痛覺和溫度感覺的關(guān)鍵中繼站，與三叉神經(jīng)痛等疾病相關(guān)�；�于以上背景，向陽飛老師團(tuán)隊成功構(gòu)建了首個具有SpV特異性的人類延髓類器官模型。

研究者還使用3Brain高分辨微電極陣列分析系統(tǒng)的3D電極技術(shù)，對在hSTOs的三叉神經(jīng)脊髓核（SpV）區(qū)域進(jìn)行局部電刺激（每個電極尺寸為21×21微米，其中2個相鄰電極作為正極，2個作為負(fù)極，電極間距為一個電極寬度）（圖S4M）。

S4L-O（L）hThOs中每分鐘自發(fā)與電刺激誘發(fā)放電次數(shù)的量化分析（1分鐘內(nèi)六次刺激，數(shù)據(jù)源自3個批次的10個細(xì)胞）。采用Paired two-tail student’s t檢驗進(jìn)行統(tǒng)計分析對比。****p<0.0001。
（M）使用3Brain HD-MEA 3D芯片記錄hSTO的明場圖像。
（N）hmSpVO區(qū)域電刺激前后hThO區(qū)域的平均放電頻率趨勢變化（給予了十次刺激）。
（O）hThO區(qū)域的基線平均放電頻率與電刺激誘發(fā)平均放電頻率的統(tǒng)計比較（數(shù)據(jù)源自1個批次的4個hSTO）。*P<0.05。

對丘腦側(cè)的分析表明，對SpV細(xì)胞的電刺激可在丘腦區(qū)域引發(fā)放電活動（圖S4N和S4O），這進(jìn)一步證實了SpV與丘腦神經(jīng)元之間存在連接。綜上所述，研究者通過融合人延髓脊髓三叉神經(jīng)核類器官（hmSpVO）與人丘腦類器官（hThO），能夠在體外重現(xiàn)人類三叉神經(jīng)脊髓核與丘腦之間的三叉丘腦神經(jīng)連接通路。

編者按：向陽飛老師在這篇文章中使用了3Brain MEA的3D立體電極芯片(S4M 右圖)。該3D電極材質(zhì)為金，長度為90um左右，能夠提高電極與類腦組織的接觸質(zhì)量，并顯著提升記錄到的放電數(shù)量及幅值，革命性的提高對類腦MEA記錄的效率和質(zhì)量。同時3D電極兼具微流控通道，可以保證類器官底部的養(yǎng)分/氧的供應(yīng)及進(jìn)行快速給藥。一舉三得，實現(xiàn)真正的3D記錄。

普瑞麥迪公司作為3Brain公司在國內(nèi)的合作伙伴，提供高密度MEA產(chǎn)品銷售、技術(shù)支持及產(chǎn)品試用服務(wù)。歡迎各位老師同學(xué)前來咨詢~