3Brain 3D HD‑MEA助力構建人源基底前腦→皮層膽堿能投射模型

研究概述：

基底前腦中的 Meynert 基底核 (nbM) 是人腦重要的膽堿能中心，其向皮層發(fā)出的膽堿能長程投射 (cholinergic long‑range projection) 參與學習、注意力與記憶調(diào)控。基底前腦–皮層膽堿能通路的損傷與阿爾茨海默病、唐氏綜合征等多類神經(jīng)退行性和發(fā)育性疾病密切相關。由于基底前腦譜系在體外難以精準誘導、膽堿能投射神經(jīng)元難以形成長程軸突，且長期缺乏能夠驗證通路方向性、誘發(fā)性與因果性的功能工具，人源基底前腦-皮層通路尚未建立。

本研究通過優(yōu)化 SHH–Purmorphamine–NGF 誘導策略，首次構建了具備基底前腦區(qū)域特、富含 CHAT⁺/VACHT⁺ 投射型膽堿能神經(jīng)元的人源基底前腦類器官 (hnbMO)，并在電生理與遞質(zhì)釋放層面證實其成熟功能。隨后，研究團隊在人胎腦組織共培養(yǎng)與免疫缺陷小鼠雙腦區(qū)移植體系中，進一步驗證這些膽堿能神經(jīng)元能夠向皮層發(fā)出長程投射并形成功能性突觸。作者還將基底前腦類器官與皮層類器官 (hCO) 融合，建立了基底前腦–皮層組裝體 (nbM‑cortical assembloids)，并通過病毒示蹤與光遺傳確認投射軸突逐步進入皮層并完成突觸連接。

在功能驗證方法中，3Brain高密度3D微電極陣列平臺 (3D HD‑MEA) (BioCAMDupleX 儀器 + Core Plate 3D 芯片 + BrainWave5 軟件)，提供了關鍵的通路級功能驗證，基底前腦類器官網(wǎng)絡成熟度的電生理確認，以及組裝體中基底前腦→皮層投射的方向性、誘發(fā)性因果證據(jù)。

基于此平臺，作者進一步構建了唐氏綜合征 (DS) 來源的基底前腦–皮層組裝體，清晰呈現(xiàn)出膽堿能神經(jīng)元在軸突投射、突觸連接與網(wǎng)絡活動上的顯著缺陷，為解析認知障礙與通路損傷機制提供了可靠的人源模型。相關成果于 2025 年 11 月發(fā)表在Cell Stem Cell (IF = 20.4)。

3D HD-MEA驗證基底前腦→皮層的方向性投射
3Brain 的 高密度3D微電極陣列（4096 通道、60µm 電極間距、3.8×3.8mm²記錄面積）可在類器官體系中同時實現(xiàn)精準定位刺激與全陣列自發(fā)放電記錄 (full-array spontaneous recording)。依托其立體電極結構，電極可輕微嵌入類器官表層并與組織原位 (in situ) 貼合，從而直接耦合類器官內(nèi)部神經(jīng)元，獲取來源明確且具有一致時空分辨率的細胞外動作電位 (spikes)。

在基底前腦→皮層組裝體中，3D HD‑MEA 首先在未刺激條件下繪制功能連接圖譜 (functional connectivity map)：基底前腦側(cè)呈現(xiàn)更多發(fā)送節(jié)點 (sender)，皮層側(cè)呈現(xiàn)更多接收節(jié)點 (receiver)，提示該通路具有符合生理的方向偏好（圖1A、1B）。進一步在基底前腦側(cè)實施局部電刺激，可在皮層側(cè)記錄到時間鎖定的誘發(fā)動作電位 (evoked spikes)（圖1A、1C），直接給出跨區(qū)域、方向性、誘發(fā)性的通路級功能證據(jù)，使該體系從“結構連通”上升為“功能連通”。

圖 1｜3Brain 3D HD‑MEA 捕獲基底前腦→皮層投射的方向性功能連接

(A) 融合培養(yǎng) 20 天的基底前腦–皮層組裝體的記錄場景（左）以及刺激前（右上）與刺激后（右下）的功能連接圖譜。每個節(jié)點代表一個記錄電極：紅色 = 發(fā)送端，藍色 = 接收端，白/灰色 = 中介節(jié)點（broker，既接收也轉(zhuǎn)發(fā)活動）。連線表示不同電極間的功能相關性，其顏色表示相關強度。刺激后，連接數(shù)量與強度顯著提升，網(wǎng)絡整體被激活（節(jié)點“聚集”為布局算法呈現(xiàn)方式，非解剖位置）。

(B) 量化分析：基底前腦側(cè)發(fā)送端顯著多于皮層側(cè)；皮層側(cè)接收端顯著多于基底前腦側(cè)。

(C) 皮層側(cè)光柵圖。在基底前腦側(cè)施加局部刺激后，皮層側(cè)多個通道在相同時間窗出現(xiàn)高密度放電帶（加粗橫帶）�？v軸：記錄通道；黑線：放電。

此外，在類器官階段（未組裝前），3D HD‑MEA 還檢測到自發(fā)放電與網(wǎng)絡同步化活動 (圖2A、2B；視頻1），說明基底前腦類器官內(nèi)部已形成成熟膽堿能網(wǎng)絡，為通路功能驗證奠定電生理基礎。

圖 2｜3Brain 3D HD‑MEA 記錄類腦網(wǎng)絡同步化放電

(A) 培養(yǎng)120天的基底前腦類器官的記錄場景。右側(cè)為同一記錄的平均放電率曲線（Mean Firing Rate, MFR）與光柵圖：可見網(wǎng)絡周期性出同步化放電，即 MFR 的峰值與 光柵中多通道同時放電的條帶時序?qū)�應�?/span>

(B) 同步放電事件的平均放電率進行量化。

3D HD-MEA實驗流程
01. 樣本接種
融合培養(yǎng)20 天的基底前腦–皮層組裝體被直接鋪設于 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(shù)據(jù)采集（在BrainWave 5中配置）
刺激設置 | 在基底前腦側(cè)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(shù)設定為脈沖時長 50ms、刺激強度 65µA，每次間隔 10s。

記錄階段 | 皮層側(cè)多通道電極用于同步并行記錄神經(jīng)活動，系統(tǒng)將自動保留每次刺激事件的時間戳，用于后續(xù)進行“刺激–響應” 對齊分析。

03. 數(shù)據(jù)分析
原始數(shù)據(jù)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(nèi)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、刺激‑響應的重復性指標。此外，通過內(nèi)置算法進行spike 時間序列相關性分析（spike‑train cross‑correlation）和節(jié)點角色推斷算法（functional connectivity & node‑role assignment），基于全陣列的放電時序計算各通道之間的驅(qū)動關系，從而生成跨區(qū)域的功能連接圖譜（圖1）。

討論與展望：
隨著核團級類器官和通路級類聯(lián)合體的成熟，神經(jīng)科學的關注點正從“結構是否正確”轉(zhuǎn)向“通路是否真正可用”。研究者越來越關心：這些模型能否在體外執(zhí)行真實的信息處理，從而支持通路級藥理學與疾病通路建模？

在這樣的需求下，3Brain 已不再只是電生理記錄工具，它將跨區(qū)域刺激‑響應、時序解析、節(jié)點角色識別整合于單一體系，使研究者能夠在體外直接測量以及分析長程投射的功能狀態(tài)。無論是膽堿能系統(tǒng)、丘腦–皮層互作、干預長程投射疾病，還是未來針對通路可塑性與通路藥理學的研究，3Brain HD‑MEA 都在成為這些模型從“結構存在”走向“功能成立”的關鍵技術。

神經(jīng)類器官研究正在進入功能時代。3Brain 提供了讓投射可觀測、讓通路可驗證、讓功能真實可證的能力。

參考與圖片來源
Wang, D., Zhang, X., Tang, X.-Y., Gan, Y., Yu, H., Wu, S., Hong, Y.,Tao, M., Chu, C., Qi, X., Hu, H., Zhu, Y., Zhu, W., Han, X., Xu, M., Dong, Y.,Cheng, Q., Guo, X., & Liu, Y. (2025). Generation of human nucleus basalisorganoids with functional nbM–cortical cholinergic projections in transplanted assembloids. Cell Stem Cell, 32, 1833–1848. https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.10.004

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