腦類器官（如中腦、皮質(zhì)類器官）及組裝體（多腦區(qū)類器官融合）是模擬人腦發(fā)育與疾病的關(guān)鍵體外模型，但傳統(tǒng)電生理技術(shù)（如低密度MEA、膜片鉗）存在時(shí)空分辨率低、覆蓋范圍小的局限，無(wú)法全面解析從單細(xì)胞到網(wǎng)絡(luò)層面的神經(jīng)活動(dòng)。本研究開(kāi)發(fā)基于超高密度（UHD）CMOS微電極陣列（含236,880個(gè)電極，sensing面積32.45 mm2）的場(chǎng)電位成像（FPI）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)腦類器官神經(jīng)活動(dòng)的大尺度、單細(xì)胞分辨率記錄，從傳播動(dòng)力學(xué)、頻率特征、區(qū)域間連接等維度建立新分析端點(diǎn)，為神經(jīng)疾病建模與藥物篩選提供高精準(zhǔn)工具。

核心內(nèi)容如下：

（1）研究方法

類器官構(gòu)建：用健康人iPSC（201B7株）誘導(dǎo)3類模型——中腦類器官（STEMdiff?試劑盒）、皮質(zhì)類器官（STEMdiff?cerebral試劑盒）、中腦-紋狀體組裝體（中腦+紋狀體類器官共培養(yǎng)），培養(yǎng)4-5個(gè)月用于實(shí)驗(yàn)。

功能檢測(cè)：UHD-CMOS MEA記錄神經(jīng)活動(dòng)（采樣率2/10 kHz），結(jié)合免疫熒光（MAP2/TH標(biāo)記神經(jīng)元）；藥物處理（L-DOPA、荷包牡丹堿、MK-801、4-氨基吡啶）評(píng)估反應(yīng)；分析單細(xì)胞spike、網(wǎng)絡(luò)連接（Z-score）、傳播速度/面積、頻率帶（δ/θ/α/β/γ）分布。

（2）關(guān)鍵結(jié)果

中腦類器官的藥物響應(yīng)：L-DOPA（多巴胺前體）呈劑量依賴性增強(qiáng)活性——30μM時(shí)59.7%細(xì)胞spike增加（0.3μM僅19.3%），網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)度提升（每細(xì)胞連接數(shù)從333.2增至382.7），且檢測(cè)到抑制性反應(yīng)（低劑量D2受體激活）。

皮質(zhì)類器官傳播動(dòng)力學(xué)：GABA_A拮抗劑荷包牡丹堿使傳播速度升高22%（基線0.0166→0.0202 mm2/ms）；NMDA拮抗劑MK-801使傳播面積減少55%（0.851→0.384 mm2），僅局部區(qū)域活性升高。

頻率特征區(qū)域差異：皮質(zhì)類器官δ/θ/α/β帶活性從邊緣向中心增強(qiáng)，γ帶呈“上強(qiáng)下弱”獨(dú)特分布，聚類分析劃分9個(gè)頻率特異性區(qū)域。

組裝體區(qū)域間連接：4-氨基吡啶（鉀通道阻滯劑）使中腦-紋狀體組裝體的區(qū)域內(nèi)連接強(qiáng)度翻倍（紋狀體0.036→0.095，中腦0.181→0.377），區(qū)域間連接增強(qiáng)107%（0.0305→0.0632）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1：中腦類器官的單細(xì)胞spike分析

該圖驗(yàn)證中腦類器官的細(xì)胞類型與藥物響應(yīng)：（A）免疫熒光：4月齡類器官表達(dá)神經(jīng)元marker MAP2（綠）和多巴胺能神經(jīng)元marker TH（紅）；（B）類器官置于UHD-CMOS MEA的sensing區(qū)；（C）raster圖與直方圖：記錄到全網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)活動(dòng)；（D）spike空間分布：紅色為活性增加（≥150%）細(xì)胞，藍(lán)色為降低（≤50%）；（E）定量：L-DOPA濃度越高，活性增加細(xì)胞比例越高。圖示明確中腦類器官對(duì)L-DOPA的劑量依賴性反應(yīng)。

圖2：中腦類器官的網(wǎng)絡(luò)連接分析

該圖評(píng)估L-DOPA對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響：（A）連接圖：黑線為基線Z-score≥3的細(xì)胞對(duì)，藍(lán)線為藥物處理后新增連接；（B-C）熱圖與分布：L-DOPA使Z-score整體右移；（D）定量：3μM和30μM L-DOPA顯著增加每細(xì)胞連接數(shù)。圖示證實(shí)藥物增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)同步性。

圖3：皮質(zhì)類器官的傳播動(dòng)力學(xué)分析

該圖解析傳播速度與面積：（A-B）傳播波形與峰值延遲圖：荷包牡丹堿處理后峰值傳播更快速；（C）定量：荷包牡丹堿使傳播速度顯著升高；（D-E）傳播電極圖與面積：MK-801使大部分區(qū)域傳播消失，僅局部保留，整體面積減少。圖示建立傳播動(dòng)力學(xué)作為藥物響應(yīng)新端點(diǎn)。

圖4：皮質(zhì)類器官的頻率特征分析

該圖展示頻率帶空間差異：（A）波形濾波：原始信號(hào)分解為5個(gè)頻率帶；（B）強(qiáng)度熱圖：δ/θ/α/β帶中心強(qiáng)、邊緣弱，γ帶“上強(qiáng)下弱”；（C-D）聚類與熱圖：劃分9個(gè)區(qū)域，部分區(qū)域γ帶活性顯著偏低。圖示揭示類器官頻率特征的區(qū)域特異性。

圖5：中腦-紋狀體組裝體的區(qū)域間連接分析

該圖評(píng)估組裝體的跨區(qū)域活性：（A）峰值電位圖：上部紋狀體、下部中腦均有活性；（B）raster圖：4-AP處理后spike增多；（C-D）定量：4-AP使區(qū)域內(nèi)（紋狀體/中腦）和區(qū)域間連接強(qiáng)度均顯著升高。圖示證實(shí)藥物增強(qiáng)組裝體的跨區(qū)域通信。

全文總結(jié)

本研究的核心價(jià)值在于開(kāi)發(fā)UHD-CMOS MEA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)腦類器官神經(jīng)活動(dòng)的“單細(xì)胞分辨率+全器官覆蓋”記錄，建立3個(gè)創(chuàng)新分析維度：傳播速度/面積（量化網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散）、區(qū)域特異性頻率特征（解析功能分區(qū)）、組裝體跨區(qū)域連接（模擬腦區(qū)互作）。該技術(shù)成功捕捉中腦類器官對(duì)L-DOPA的雙向響應(yīng)、皮質(zhì)類器官對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)拮抗劑的動(dòng)力學(xué)變化，為帕金森病、癲癇等疾病建模提供精準(zhǔn)工具。