文獻解讀：人類延髓脊髓三叉神經核與丘腦的體外通路的構建
腦類器官技術 (brain organoid) 已從早期非特異性的“大腦樣結構” (cerebral organoid)，快速發(fā)展到區(qū)域特異 (region-specific) 與多區(qū)域融合 (assembloid)，但“核團級 (nucleus-specific identity) ”精度的模型長期稀缺，尤其是延髓等關鍵生命中樞。脊髓三叉神經核 (Spinal Trigeminal Nucleus, SpV) 位于腦干的延髓背側，是三叉神經復合體的重要組成部分，承擔將頭面部痛覺、溫度感知等外周感覺信號上行至丘腦的關鍵中樞。由于延髓譜系在體外難以精準誘導、核團級分化門檻高，且缺乏能驗證方向性、誘發(fā)性、因果性的通路級功能工具，人源脊髓三叉神經核→丘腦通路模型存在明顯研究空白。
本研究通過WNT激活 + 視黃酸尾端化的組合誘導，定向獲得具有脊髓三叉神經核特征的延髓背側譜系人源類器官 (hmSpVO)，并進一步與丘腦類器官 (hThO) 融合，構建脊髓三叉神經核–丘腦組裝體 (hmSpVO-hThO) 。為驗證該投射是否具備真實的方向性與功能性，作者使用3Brain 高密度3D微電極陣列平臺 (3D HD‑MEA) (BioCAM DupleX 儀器 + CorePlate 3D 芯片 + BrainWave5 軟件)，在脊髓三叉神經核側施加局部電刺激、在丘腦側進行跨區(qū)域記錄，捕獲到“刺激脊髓三叉神經核→丘腦側出現時間鎖定的誘發(fā)動作電位” (evoked spike) 這一因果式電生理響應，從而確認該體系在體外成功重建了具有生理方向性的三叉–丘腦感覺上行通路。
綜上，本研究首次在體外實現人源核團級建模與感覺上行通路重建，為疼痛、偏頭痛、三叉神經痛等相關疾病的機理解析與通路級藥效評估提供了新平臺。相關成果于 2024 年 10 月發(fā)表在 Cell Stem Cell（IF = 20.4）。
3D HD-MEA驗證脊髓三叉神經核→丘腦的方向性投射
3Brain 的高密度3D微電極陣列（4096 通道、60µm 電極間距、3.8×3.8mm²感應面積）實現了類器官中的精準定位刺激與全陣列自發(fā)放電記錄 (full-array spontaneous recording)。借助其立體電極結構，該系統(tǒng)可輕微滲入類器官表層并在組織原位 (in situ) 直接耦合類器官內部神經元 (圖1A），獲取來源明確的細胞外動作電位 (spikes)。
在本文中，作者在脊髓三叉神經核側以微米級電極實施局部刺激 （圖1A），并在丘腦側同步記錄到清晰的誘發(fā)動作電位 （圖1B），從而建立跨核團的毫秒級投射通路（圖1C）。高密度電極帶來的空間采樣能力，使信號在類器官截面上的傳播路徑得以高分辨率呈現；毫秒級時間分辨率則進一步量化了刺激‑響應的潛伏期與傳播方向有助于區(qū)分局部放電事件與更大尺度的網絡動態(tài)。
圖 1｜3Brain 3D HD‑MEA驗證脊髓三叉神經核→丘腦誘發(fā)‑響應。
(A) 三叉神經核–丘腦組裝體的記錄場景，可見組裝體直接貼附在3D電極陣列上，實現原位測量。
(B)丘腦側記錄到的平均放電頻率隨時間的變化。當在三叉神經核區(qū)域施加局部電刺激（共十次）時，丘腦側立即出現頻繁而時間鎖定的動作電位峰值，其幅度與密度均明顯高于刺激前。
(C) 對基線與刺激條件下的丘腦放電頻率進行配對比較，結果顯示刺激條件下的平均放電率明顯升高。
3D HD-MEA實驗流程
01. 樣本接種
脊髓三叉神經核–丘腦組裝體直接鋪設于 3Brain BioCAM DupleX平臺搭配的CorePlate 3D芯片上，芯片表面覆蓋一層透明聚酯膜濾片以確保樣本充分貼合并獲得穩(wěn)定接觸。隨后，將組裝體靜置20min以完成沉降與原位固定。
02. HD‑MEA 數據采集（在BrainWave 5中配置）
刺激設置 | 在三叉神經核側選取電極作為刺激點，并將相鄰的兩個電極設為正極、另兩個相鄰電極設為負極，兩極之間間隔一個電極以形成局部化且穩(wěn)定的刺激場。刺激參數設定為脈沖時長 50ms、刺激強度 65µA，共施加10次刺激、每次間隔 10s。
記錄階段 | 位于丘腦側的多通道電極用于同步并行記錄神經活動，系統(tǒng)會自動同步保留所有刺激觸發(fā)的時間戳，便于后續(xù)進行刺激-響應對齊分析。
03. 數據分析
原始數據在BrainWave5 軟件中完成全套預處理與分析流程，包括以 100Hz 高通濾波去除低頻漂移與慢波信息，并使用內置算法進行spike檢測與分揀。隨后，以刺激事件作為時間零點，將刺激前后窗口對齊，用于量化誘發(fā)響應的平均放電率（MFR）、刺激‑響應的潛伏期與重復性指標；并通過比較基線與刺激條件條件下的放電差異 （圖1C）驗證功能性連接。
討論與展望：
隨著核團級類器官和通路級類聯合體的興起，類腦研究正在從關注細胞類型與結構特征，邁向關注信息如何在體外模型中被編碼、傳遞與調控。在這一代際轉變中，模型的價值不再由“像不像真實組織”決定，而是取決于它是否能以功能方式參與神經計算：能否被刺激？能否產生可量化的響應？能否體現生理方向性？能否作為通路級藥理學的讀出窗口？
這種轉變讓 3Brain 3D技術平臺的角色變得尤為關鍵——它不是一個記錄工具，而是功能類器官和神經通路模型得以成立的基礎接口。HD‑MEA提供的刺激‑響應能力、跨區(qū)域時序解析以及通路級readout，使類器官由“結構模型”升級為真正的“功能單元”。無論研究對象是三叉‑丘腦通路、皮層‑丘腦互作，還是 CGRP、5‑HT這類藥物在體外通路上的作用模式，3Brain 提供讓這些問題可觀察、可驗證、可迭代的研究能力。
參考與圖片來源
Pang, W., Zhu, J., Yang, K., Zhu, X., Zhou, W., Jiang, L., Zhuang, X., Liu, Y., Wei, J., & Lu, X. (2024). Generation of human region‑specific brain organoids with medullary spinal trigeminal nuclei. Cell Stem Cell,31, 1501–1512. https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.08.004
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3Brain 鏈接未來，加速藥物發(fā)現
