3Brain HD-MEA賦能類器官研究：小膠質(zhì)細(xì)胞區(qū)域特異性與自閉癥機(jī)制

小膠質(zhì)細(xì)胞作為大腦的常駐免疫細(xì)胞，不僅執(zhí)行經(jīng)典的免疫防御功能，還在神經(jīng)元成熟、突觸精細(xì)化和跨區(qū)域神經(jīng)環(huán)路構(gòu)建中發(fā)揮不可或缺的作用。然而，人類小膠質(zhì)細(xì)胞在不同腦區(qū)的區(qū)域特異性特征及其在特定神經(jīng)環(huán)路中的功能，一直是領(lǐng)域內(nèi)難以攻克的關(guān)鍵科學(xué)問題。

近日，普渡大學(xué)楊陽教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances（影響因子：11.7）發(fā)表重磅研究，利用人源誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC）來源的區(qū)域特異性腦類器官（皮質(zhì)、紋狀體、中腦）整合小膠質(zhì)細(xì)胞，構(gòu)建了微膠質(zhì)細(xì)胞-中腦-紋狀體組裝體模型，并結(jié)合3Brain公司高密度微電極陣列（HD-MEA）系統(tǒng)，首次揭示了小膠質(zhì)細(xì)胞在人類亞皮質(zhì)環(huán)路中的區(qū)域特異性功能及其在自閉癥相關(guān)SCN2A突變背景下的病理機(jī)制。

一 研究背景：小膠質(zhì)細(xì)胞的區(qū)域異質(zhì)性為何重要？
小膠質(zhì)細(xì)胞起源于胚胎卵黃囊，在早期發(fā)育階段遷入大腦，隨后在不同腦區(qū)呈現(xiàn)出顯著的形態(tài)、密度和轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性。這種區(qū)域特異性被認(rèn)為與局部神經(jīng)元類型和微環(huán)境信號(hào)密切相關(guān)，尤其在與神經(jīng)精神疾病高度相關(guān)的紋狀體、中腦等亞皮質(zhì)區(qū)域，人類小膠質(zhì)細(xì)胞的研究仍極為有限。

此前，該團(tuán)隊(duì)已在Molecular Psychiatry發(fā)表研究，發(fā)現(xiàn)Scn2a缺陷小鼠模型中，小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的突觸過度修剪導(dǎo)致興奮/抑制失衡（Wu et al., 2024）。但人類小膠質(zhì)細(xì)胞如何在亞皮質(zhì)環(huán)路中感知神經(jīng)元活動(dòng)并參與疾病病理，仍是未解之謎。

二 技術(shù)突破：3Brain HD-MEA助力功能性連接驗(yàn)證
本研究的關(guān)鍵技術(shù)支撐之一，是3Brain公司的高密度微電極陣列（HD-MEA）系統(tǒng)。研究者使用Multiwell HyperCam Alpha（3Brain AG, Switzerland）對(duì)構(gòu)建的中腦-紋狀體-小膠質(zhì)細(xì)胞組裝體進(jìn)行功能性記錄。

HD-MEA記錄關(guān)鍵參數(shù)：

• 電極配置：2304×2304電極陣列，60 μm間距，記錄面積2.9×2.9 mm²
• 采樣率：10,000 Hz，硬件高通濾波100 Hz
• spike檢測：帶通濾波20-5000 Hz，閾值設(shè)為8倍標(biāo)準(zhǔn)差
•  burst分析：最大ISI 100 ms，最少5個(gè)spike
• 網(wǎng)絡(luò)burst檢測：10%電極募集，最少50個(gè)spike

關(guān)鍵驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：
為驗(yàn)證中腦-紋狀體環(huán)路的功能連接特異性和成熟度，研究者對(duì)hMO-hStrO-Mg組裝體進(jìn)行HD-MEA記錄，急性灌流D1受體拮抗劑SCH-23390聯(lián)合D2受體拮抗劑Sulpiride。結(jié)果顯示：

• 紋狀體區(qū)域放電率顯著下降
• 中腦區(qū)域放電率無明顯變化
• 證實(shí)了多巴胺能投射的功能特異性，表明構(gòu)建的中腦-紋狀體環(huán)路已具備功能成熟度

圖 1 CNO激活前后中腦和紋狀體區(qū)域平均放電率定量
 

圖 2 HD-MEA記錄的熱圖和功能連接圖，直觀展示信號(hào)傳遞

這一結(jié)果為后續(xù)使用化學(xué)遺傳學(xué)（Gq-DREADD）激活中腦神經(jīng)元并觀察紋狀體小膠質(zhì)細(xì)胞鈣響應(yīng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三 核心發(fā)現(xiàn)：小膠質(zhì)細(xì)胞的區(qū)域特異性與GABA_B受體依賴性響應(yīng)
1 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組揭示六種小膠質(zhì)細(xì)胞亞型
通過對(duì)皮質(zhì)、紋狀體、中腦類器官整合小膠質(zhì)細(xì)胞后的樣本進(jìn)行scRNA-seq，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出六個(gè)小膠質(zhì)細(xì)胞亞群（A-F），其中：

• Cluster B（H-SR-MG）在紋狀體類器官中高度富集（~50%），顯著表達(dá)GABA_B受體基因（GABBR1, GABRB1, GABRA2）
• GO分析顯示該亞群與神經(jīng)元興奮性調(diào)控、突觸可塑性調(diào)節(jié)密切相關(guān)

圖 3 H-I：六種小膠質(zhì)細(xì)胞亞群的UMAP聚類和標(biāo)記基因點(diǎn)圖；J：各亞群在皮質(zhì)、紋狀體、中腦類器官中的分布；L-M：GABA受體基因在不同亞群及不同腦區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)。

2 小膠質(zhì)細(xì)胞促進(jìn)軸突投射與組裝體融合
使用GCaMP6f標(biāo)記的小膠質(zhì)細(xì)胞和AAV-hSyn-mScarlet標(biāo)記的中腦神經(jīng)元，活細(xì)胞成像顯示：

• 含小膠質(zhì)細(xì)胞的組裝體在融合后30天，mScarlet標(biāo)記的軸突投射面積顯著增加
• 融合成功率從~60%提升至~90%（p < 0.05）
• 提示小膠質(zhì)細(xì)胞在跨區(qū)域神經(jīng)環(huán)路構(gòu)建中發(fā)揮主動(dòng)支持作用

圖 4 左：不同時(shí)間點(diǎn)（10、20、30天）中腦-紋狀體軸突投射的代表性圖像；中：融合成功率統(tǒng)計(jì)；右：mScarlet投射面積定量。

3 小膠質(zhì)細(xì)胞通過GABA_B受體感知環(huán)路激活
在Gq-DREADD激活中腦-紋狀體環(huán)路后，結(jié)合CGP 55845（GABA_B受體拮抗劑）和GABBR1基因敲除，研究發(fā)現(xiàn)：

• 紋狀體小膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號(hào)（GCaMP6f）顯著升高
• CGP處理或GABBR1敲除完全阻斷鈣響應(yīng)
• HD-MEA證實(shí)CGP對(duì)神經(jīng)元興奮性無顯著影響，說明效應(yīng)主要來自小膠質(zhì)細(xì)胞

圖 5 F-H：不同處理組（對(duì)照、CGP、GABBR1 KO）小膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號(hào)圖像；I-L：鈣信號(hào)幅度和面積的定量分析。

4 SCN2A-C959X突變背景下小膠質(zhì)細(xì)胞過度激活
在攜帶自閉癥相關(guān)SCN2A無義突變（C959X）的組裝體中：

• 膜片鉗記錄顯示紋狀體MSN神經(jīng)元興奮性顯著升高
• 小膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號(hào)幅度和面積增加2-3倍
• Imaris 3D重建顯示小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)CD68⁺溶酶體體積增加，VGAT⁺抑制性突觸被過度吞噬
• CGP處理或GABBR1敲除可逆轉(zhuǎn)上述病理表型，恢復(fù)抑制性突觸數(shù)目

圖 6 A：SCN2A C959X突變體（含控制性或GABBR1敲除小膠質(zhì)細(xì)胞）組裝體的發(fā)育示意圖。B-C：WT與C959X突變組MSN神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢活l率；D-G：各組小膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號(hào)圖像及定量；H-K：VGAT/IBA1/CD68三重染色及Imaris重建圖像，顯示突觸吞噬體積。

四 研究意義與展望
本研究首次在人源亞皮質(zhì)環(huán)路模型中系統(tǒng)揭示了小膠質(zhì)細(xì)胞的區(qū)域異質(zhì)性及其功能意義，并驗(yàn)證了GABA_B受體作為小膠質(zhì)細(xì)胞感知神經(jīng)元活動(dòng)、調(diào)控突觸修剪的關(guān)鍵分子開關(guān)。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)成功將3Brain HD-MEA系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜類器官組裝體的功能性驗(yàn)證，為未來藥物篩選、基因治療評(píng)估、疾病機(jī)制解析提供了高內(nèi)涵、高通量的技術(shù)平臺(tái)。

圖 7 總結(jié)示意圖，展示小膠質(zhì)細(xì)胞如何通過GABA_B受體感知中腦-紋狀體環(huán)路活性，并在SCN2A突變背景下介導(dǎo)病理改變。

技術(shù)亮點(diǎn)總結(jié)：

• HD-MEA實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞皮質(zhì)環(huán)路功能連接的特異性驗(yàn)證
• GCaMP6f標(biāo)記結(jié)合活細(xì)胞鈣成像，實(shí)時(shí)追蹤小膠質(zhì)細(xì)胞動(dòng)態(tài)
• GABBR1基因敲除與藥理阻斷雙重驗(yàn)證，確證分子機(jī)制
• Imaris 3D重建定量分析突觸吞噬，揭示病理過程

五 產(chǎn)品信息：3Brain HD-MEA系統(tǒng)
3Brain公司的HyperCam系列高密度微電極陣列，憑借2304×2304電極、10 kHz采樣率、實(shí)時(shí)spike sorting和網(wǎng)絡(luò)burst分析，已成為神經(jīng)科學(xué)研究中解析復(fù)雜環(huán)路功能、驗(yàn)證藥物靶點(diǎn)、評(píng)估疾病模型的理想工具。其六孔板設(shè)計(jì)支持多組平行實(shí)驗(yàn)，BrainWave軟件提供從原始數(shù)據(jù)到功能連接圖譜的一站式分析。

適用場景：

• 類器官/組裝體功能性驗(yàn)證
• 藥物篩選與毒性測試
• 神經(jīng)精神疾病模型機(jī)制研究
• 光遺傳/化學(xué)遺傳學(xué)結(jié)合電生理記錄

普瑞麥迪公司作為3Brain在中國區(qū)的授權(quán)代理商，提供從設(shè)備演示、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)分析的全流程技術(shù)支持。歡迎各位老師聯(lián)系預(yù)約Demo實(shí)驗(yàn)，共同探索神經(jīng)環(huán)路與神經(jīng)免疫互作的未知疆域。

參考文獻(xiàn)：
Wu, J., Chen, X., Zhang, J., et al. (2026). Human microglia in brain assemblies display region-specific diversity and respond to hyperexcitable neurons carrying SCN2A mutation. Science Advances, 12(11), eady2977.