論文解讀：利用高密度微電極陣列HD-MEA技術在類腦上研究學習與記憶

大腦學習記憶以及突觸可塑性的機制依然是一個充滿謎團的領域，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胞或群體細胞的刺激后電流或場電位的短時程和長時程變化。確實，這是一個檢測可塑性發生的經典電生理指標，然而突觸可塑性的發生也伴隨著網絡功能的改變，傳統的膜片鉗及胞外記錄手段很難從神經網絡的角度切入。

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，能夠同時檢測數百個神經元的放電，并且支持對樣本的長期觀測，這使得該技術在發育相關的神經網絡研究上具有獨特的優勢。

我們今天介紹的這篇論文是一個很好的嘗試，將HD-MEA應用于學習記憶和突觸可塑性的研究，提出了網絡功能連接，網絡臨界狀態評估等一些列全新的電生理指標，為未來的突觸可塑性研究提供了新的思路。
 

文章的標題為“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Lena Smirnova教授領導的研究團隊于2025年8月16日在《Communications Biology》（IF₂₀₂₄=5.2）期刊上發表。

研究系統運用HD-MEA技術對神經類器官進行多維度功能表征。通過記錄6-14周類器官的自發和誘發活動，分析了四個關鍵方面：

• 網絡動態記錄。發現成熟類器官爆發活動更同步；
• 功能連接性。顯示10-13周類器官連接更強；
• 臨界狀態評估。通過分支比和臨界性偏離系數證實成熟類器官更接近信息處理最優狀態；
• 突觸可塑性誘導。通過θ爆發式刺激成功誘導短期增強和長時程增強/抑制。

圖摘要

​研究主要結果
研究將人源 iPSC 分化為神經類器官，在14周內系統評估其發育（Figure 1）。

Figure 1：實驗設計與流程概覽

a) 實驗時間線：從iPSC誘導至14周分化，包括基因表達、鈣成像、HD-MEA記錄、藥理學干預與θ爆發式刺激（TBS）。
b) 功能連接性與臨界性分析流程：從自發或誘發活動中提取電極信號，構建功能連接網絡與臨界性指標。
c) 突觸可塑性誘導機制示意圖：藥理學或電刺激通過調控谷氨酸受體與IEGs表達誘導LTP。

1. 神經類器官具備成熟的突觸結構與受體表達
研究通過RNA測序和免疫熒光染色證實，神經類器官在分化過程中逐漸表達關鍵突觸前（如Synaptophysin）和突觸后（如HOMER1）標記物（Figure 2）。抑制性突觸標記物Gephyrin在12周時顯著增加，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）的基因表達隨時間上升，并在第8周左右趨于穩定，提示類器官在第8至12周達到功能成熟狀態。

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

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）表達隨分化增強。
c) GABRA1、GRIN1、GRIN2A、GRIN2B、GRIA1、HOMER1基因表達隨時間上升并趨于穩定。
d) NPTC2、ARC、CREB、BDNF蛋白表達在8周與12周間無顯著差異。
e) IEGs（ARC、BDNF、NPAS4、NPTX2、FOS、EGR1）基因表達隨時間上升。
f) CREB、CAMK2A、SYNGAP1基因表達上升。
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分子動態表達
多個即刻早期基因（immediate-early genes, IEGs）如ARC、BDNF、NPAS4、NPTX2和FOS在分化過程中表達顯著上升，而EGR1在神經前體細胞中已有表達并保持穩定（Figure 2）。上游調控因子CREB和CAMK2A的表達也隨時間增加，CAMK2A增幅最大。此外，與突觸可塑性相關的microRNA（如miR-124-3p、miR-132-3p）表達上升，而miR-134-3p在早期上升后下降，反映了其在突觸下調中的作用。

3. 鈣成像揭示自發電活動隨分化時間演變
從第4周開始，類器官出現自發性鈣振蕩（Figure 3）。第4–6周表現為高頻、多峰爆發，第8周后轉為低頻、高振幅、長持續時間的爆發模式，表明神經元網絡同步性增強。第10–14周，爆發頻率和振幅下降，但持續時間穩定，提示網絡活動趨于成熟。

Figure 3：鈣振蕩動態與網絡成熟

a) 第2–14周類器官鈣信號（ΔF/F）代表性軌跡。
b) 爆發上升時間、振幅、頻率、衰減時間、持續時間、峰數量等參數隨時間變化，顯示網絡同步性增強。

4. 高密度微電極陣列記錄顯示網絡動態與臨界性
HD-MEA記錄顯示（Figure 4），6–9周類器官爆發頻率更高、活動面積更大，但10–13周類器官表現出更強的功能連接性和更高的臨界性指標（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，有利于高效信息處理。

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

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

BR是用于量化神經活動中活動傳播或衰減趨勢的關鍵指標。BR值越接近1，意味著神經活動處于理想的臨界狀態，活動既不會迅速消亡，也不會爆炸式增長，而是可以穩定、持續地傳播，此時網絡的信息處理能力和動態范圍被認為是最優的。

Figure 4：HD-MEA記錄的自發網絡活動

a,b) 第6–9周與10–13周類器官在MEA上的發放圖譜與活動面積。
c) 爆發頻率、峰數量、活動面積等指標顯示年輕組活動更活躍。

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) 節點數、邊分數、模塊性隨時間變化。
e–g) DCC、BR、SCe顯示成熟組更接近臨界狀態。

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5. 藥理學干預驗證突觸傳遞功能
使用GABA能拮抗劑（bicuculline）和鉀通道拮抗劑（4-AP）可增強網絡活動并誘導IEGs表達，而谷氨酸能受體拮抗劑（NBQX+AP5）則完全抑制爆發活動（Figure 6）。進一步阻斷多巴胺能和去甲腎上腺素能神經元后，剩余活動顯著減少，表明這些神經元在維持基礎活動中起重要作用。

Figure 6：藥理學干預對IEGs與電活動的影響

a) 藥理學處理2小時后IEGs表達變化。
b) 代表性發放圖譜。
c,d) 爆發頻率、爆發間隔變異系數、爆發持續時間、峰比例在藥理學干預后的變化。

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

Figure 7：TBS誘導的短期突觸可塑性

a) TBS刺激協議示意圖。
b) 刺激前后活動面積變化。
c) 誘發活動熱圖。
d,e) 活動電極比例、總峰數、誘發活動分布顯示部分類器官出現STP。

Figure 8：TBS誘導的連接性、臨界性與長時程可塑性

a–c) 刺激后節點數、邊分數、模塊性、DCC、BR、SCe變化。
d) 單位水平上LTP與LTD的發放率變化，部分單位在180分鐘內保持增強或抑制。

研究總結
本研究系統驗證了人源神經類器官具備支持學習與記憶的基本分子與功能基礎。類器官在分化過程中逐步形成功能性突觸、表達關鍵IEGs與受體，并展現出與成熟神經網絡相似的自發與誘發活動、臨界狀態及突觸可塑性。

通過藥理學與電刺激干預，研究進一步證實類器官能夠模擬短期與長期突觸可塑性，為其作為研究認知過程與神經系統疾病的體外模型提供了有力證據。

參考文獻
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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