論文解讀：利用高密度微電極陣列HD-MEA技術(shù)在類腦上研究學(xué)習(xí)與記憶

大腦學(xué)習(xí)記憶以及突觸可塑性的機(jī)制依然是一個(gè)充滿謎團(tuán)的領(lǐng)域，吸引了大量研究者從離體和在體的角度展開探索。很長時(shí)間以來，在離體條件下研究突觸可塑性的方法都是基于單細(xì)胞或群體細(xì)胞的刺激后電流或場電位的短時(shí)程和長時(shí)程變化。確實(shí)，這是一個(gè)檢測可塑性發(fā)生的經(jīng)典電生理指標(biāo)，然而突觸可塑性的發(fā)生也伴隨著網(wǎng)絡(luò)功能的改變，傳統(tǒng)的膜片鉗及胞外記錄手段很難從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的角度切入。

近年來興起的高密度微電極陣列（HD-MEA）是一種全新的檢測手段，能夠同時(shí)檢測數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的放電，并且支持對(duì)樣本的長期觀測，這使得該技術(shù)在發(fā)育相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

我們今天介紹的這篇論文是一個(gè)很好的嘗試，將HD-MEA應(yīng)用于學(xué)習(xí)記憶和突觸可塑性的研究，提出了網(wǎng)絡(luò)功能連接，網(wǎng)絡(luò)臨界狀態(tài)評(píng)估等一些列全新的電生理指標(biāo)，為未來的突觸可塑性研究提供了新的思路。
 

文章的標(biāo)題為“Human neural organoid microphysiological systems show the building blocks necessary for basic learning and memory”，由美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)Lena Smirnova教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于2025年8月16日在《Communications Biology》（IF₂₀₂₄=5.2）期刊上發(fā)表。

研究系統(tǒng)運(yùn)用HD-MEA技術(shù)對(duì)神經(jīng)類器官進(jìn)行多維度功能表征。通過記錄6-14周類器官的自發(fā)和誘發(fā)活動(dòng)，分析了四個(gè)關(guān)鍵方面：

• 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)記錄。發(fā)現(xiàn)成熟類器官爆發(fā)活動(dòng)更同步；
• 功能連接性。顯示10-13周類器官連接更強(qiáng)；
• 臨界狀態(tài)評(píng)估。通過分支比和臨界性偏離系數(shù)證實(shí)成熟類器官更接近信息處理最優(yōu)狀態(tài)；
• 突觸可塑性誘導(dǎo)。通過θ爆發(fā)式刺激成功誘導(dǎo)短期增強(qiáng)和長時(shí)程增強(qiáng)/抑制。

圖摘要

​研究主要結(jié)果
研究將人源 iPSC 分化為神經(jīng)類器官，在14周內(nèi)系統(tǒng)評(píng)估其發(fā)育（Figure 1）。

Figure 1：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與流程概覽

a) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間線：從iPSC誘導(dǎo)至14周分化，包括基因表達(dá)、鈣成像、HD-MEA記錄、藥理學(xué)干預(yù)與θ爆發(fā)式刺激（TBS）。
b) 功能連接性與臨界性分析流程：從自發(fā)或誘發(fā)活動(dòng)中提取電極信號(hào)，構(gòu)建功能連接網(wǎng)絡(luò)與臨界性指標(biāo)。
c) 突觸可塑性誘導(dǎo)機(jī)制示意圖：藥理學(xué)或電刺激通過調(diào)控谷氨酸受體與IEGs表達(dá)誘導(dǎo)LTP。

1. 神經(jīng)類器官具備成熟的突觸結(jié)構(gòu)與受體表達(dá)
研究通過RNA測序和免疫熒光染色證實(shí)，神經(jīng)類器官在分化過程中逐漸表達(dá)關(guān)鍵突觸前（如Synaptophysin）和突觸后（如HOMER1）標(biāo)記物（Figure 2）。抑制性突觸標(biāo)記物Gephyrin在12周時(shí)顯著增加，表明抑制性突觸逐漸成熟。此外，谷氨酸能受體（GRIN1、GRIN2A、GRIN2B、GRIA1）和GABA能受體（GABRA1）的基因表達(dá)隨時(shí)間上升，并在第8周左右趨于穩(wěn)定，提示類器官在第8至12周達(dá)到功能成熟狀態(tài)。

Figure 2：突觸與即刻早期基因（immediate-early genes, IEGs）表達(dá)隨時(shí)間變化

a) HOMER1（突觸后）與SYP（突觸前）免疫熒光顯示突觸形成。
b) Gephyrin（抑制性突觸）、SYN1（突觸前）、MAP2（樹突）表達(dá)隨分化增強(qiáng)。
c) GABRA1、GRIN1、GRIN2A、GRIN2B、GRIA1、HOMER1基因表達(dá)隨時(shí)間上升并趨于穩(wěn)定。
d) NPTC2、ARC、CREB、BDNF蛋白表達(dá)在8周與12周間無顯著差異。
e) IEGs（ARC、BDNF、NPAS4、NPTX2、FOS、EGR1）基因表達(dá)隨時(shí)間上升。
f) CREB、CAMK2A、SYNGAP1基因表達(dá)上升。
g) miR-124-3p、miR-132-3p上升，miR-134-3p先升后降。

2. 即刻早期基因與突觸可塑性相關(guān)分子動(dòng)態(tài)表達(dá)
多個(gè)即刻早期基因（immediate-early genes, IEGs）如ARC、BDNF、NPAS4、NPTX2和FOS在分化過程中表達(dá)顯著上升，而EGR1在神經(jīng)前體細(xì)胞中已有表達(dá)并保持穩(wěn)定（Figure 2）。上游調(diào)控因子CREB和CAMK2A的表達(dá)也隨時(shí)間增加，CAMK2A增幅最大。此外，與突觸可塑性相關(guān)的microRNA（如miR-124-3p、miR-132-3p）表達(dá)上升，而miR-134-3p在早期上升后下降，反映了其在突觸下調(diào)中的作用。

3. 鈣成像揭示自發(fā)電活動(dòng)隨分化時(shí)間演變
從第4周開始，類器官出現(xiàn)自發(fā)性鈣振蕩（Figure 3）。第4–6周表現(xiàn)為高頻、多峰爆發(fā)，第8周后轉(zhuǎn)為低頻、高振幅、長持續(xù)時(shí)間的爆發(fā)模式，表明神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)同步性增強(qiáng)。第10–14周，爆發(fā)頻率和振幅下降，但持續(xù)時(shí)間穩(wěn)定，提示網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)趨于成熟。

Figure 3：鈣振蕩動(dòng)態(tài)與網(wǎng)絡(luò)成熟

a) 第2–14周類器官鈣信號(hào)（ΔF/F）代表性軌跡。
b) 爆發(fā)上升時(shí)間、振幅、頻率、衰減時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、峰數(shù)量等參數(shù)隨時(shí)間變化，顯示網(wǎng)絡(luò)同步性增強(qiáng)。

4. 高密度微電極陣列記錄顯示網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)與臨界性
HD-MEA記錄顯示（Figure 4），6–9周類器官爆發(fā)頻率更高、活動(dòng)面積更大，但10–13周類器官表現(xiàn)出更強(qiáng)的功能連接性和更高的臨界性指標(biāo)（如更低的DCC值、更高的分支比BR）（Figure 5）。臨界性分析表明，成熟類器官更接近臨界狀態(tài)，有利于高效信息處理。

臨界性指標(biāo)是用來評(píng)估類器官的活動(dòng)狀態(tài)是否接近理想狀態(tài)的指標(biāo)，常用的有臨界性偏離系數(shù)（Deviation from Criticality Coefficient, DCC）和分支比（Branching Ratio, BR）。

DCC是一個(gè)用于量化神經(jīng)系統(tǒng)（如腦組織和類器官）的活動(dòng)狀態(tài)與其理想臨界狀態(tài)之間距離的指標(biāo)，其值越小，表明系統(tǒng)越接近臨界狀態(tài)，其信息處理能力越高效。

BR是用于量化神經(jīng)活動(dòng)中活動(dòng)傳播或衰減趨勢(shì)的關(guān)鍵指標(biāo)。BR值越接近1，意味著神經(jīng)活動(dòng)處于理想的臨界狀態(tài)，活動(dòng)既不會(huì)迅速消亡，也不會(huì)爆炸式增長，而是可以穩(wěn)定、持續(xù)地傳播，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力和動(dòng)態(tài)范圍被認(rèn)為是最優(yōu)的。

Figure 4：HD-MEA記錄的自發(fā)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)

a,b) 第6–9周與10–13周類器官在MEA上的發(fā)放圖譜與活動(dòng)面積。
c) 爆發(fā)頻率、峰數(shù)量、活動(dòng)面積等指標(biāo)顯示年輕組活動(dòng)更活躍。

Figure 5：功能連接性與臨界性分析

a) 功能連接圖顯示成熟組連接更密集。
b–d) 節(jié)點(diǎn)數(shù)、邊分?jǐn)?shù)、模塊性隨時(shí)間變化。
e–g) DCC、BR、SCe顯示成熟組更接近臨界狀態(tài)。

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5. 藥理學(xué)干預(yù)驗(yàn)證突觸傳遞功能
使用GABA能拮抗劑（bicuculline）和鉀通道拮抗劑（4-AP）可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并誘導(dǎo)IEGs表達(dá)，而谷氨酸能受體拮抗劑（NBQX+AP5）則完全抑制爆發(fā)活動(dòng)（Figure 6）。進(jìn)一步阻斷多巴胺能和去甲腎上腺素能神經(jīng)元后，剩余活動(dòng)顯著減少，表明這些神經(jīng)元在維持基礎(chǔ)活動(dòng)中起重要作用。

Figure 6：藥理學(xué)干預(yù)對(duì)IEGs與電活動(dòng)的影響

a) 藥理學(xué)處理2小時(shí)后IEGs表達(dá)變化。
b) 代表性發(fā)放圖譜。
c,d) 爆發(fā)頻率、爆發(fā)間隔變異系數(shù)、爆發(fā)持續(xù)時(shí)間、峰比例在藥理學(xué)干預(yù)后的變化。

6. θ爆發(fā)式刺激誘導(dǎo)輸入特異性突觸可塑性
在14周類器官中，通過θ爆發(fā)式刺激（TBS）刺激單個(gè)神經(jīng)元可誘發(fā)短期突觸可塑性（STP），表現(xiàn)為活動(dòng)面積、總峰電位和誘發(fā)活動(dòng)在刺激后立即增加（Figure 7）。部分神經(jīng)元在刺激后180分鐘內(nèi)保持增強(qiáng)或抑制的發(fā)放率，表明存在輸入特異性的長時(shí)程增強(qiáng)（LTP）或抑制（LTD）（Figure 8）。臨界性在刺激后也有所增強(qiáng)，分支比顯著上升。

Figure 7：TBS誘導(dǎo)的短期突觸可塑性

a) TBS刺激協(xié)議示意圖。
b) 刺激前后活動(dòng)面積變化。
c) 誘發(fā)活動(dòng)熱圖。
d,e) 活動(dòng)電極比例、總峰數(shù)、誘發(fā)活動(dòng)分布顯示部分類器官出現(xiàn)STP。

Figure 8：TBS誘導(dǎo)的連接性、臨界性與長時(shí)程可塑性

a–c) 刺激后節(jié)點(diǎn)數(shù)、邊分?jǐn)?shù)、模塊性、DCC、BR、SCe變化。
d) 單位水平上LTP與LTD的發(fā)放率變化，部分單位在180分鐘內(nèi)保持增強(qiáng)或抑制。

研究總結(jié)
本研究系統(tǒng)驗(yàn)證了人源神經(jīng)類器官具備支持學(xué)習(xí)與記憶的基本分子與功能基礎(chǔ)。類器官在分化過程中逐步形成功能性突觸、表達(dá)關(guān)鍵IEGs與受體，并展現(xiàn)出與成熟神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似的自發(fā)與誘發(fā)活動(dòng)、臨界狀態(tài)及突觸可塑性。

通過藥理學(xué)與電刺激干預(yù)，研究進(jìn)一步證實(shí)類器官能夠模擬短期與長期突觸可塑性，為其作為研究認(rèn)知過程與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的體外模型提供了有力證據(jù)。

參考文獻(xiàn)
Alam El Din DM, Moenkemoeller L, Loeffler A, et al. Human neural organoid microphysiological systems show the building blocks necessary for basic learning and memory. Commun Biol. 2025 Aug 16;8(1):1237. doi: 10.1038/s42003-025-08632-5.
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