新型三維神經(jīng)接口實(shí)現(xiàn)類腦器官全覆蓋高分辨率電生理監(jiān)測(cè)

類腦器官作為研究人類神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和疾病機(jī)制的重要平臺(tái)，具有傳統(tǒng)二維細(xì)胞培養(yǎng)所不具備的復(fù)雜三維神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有神經(jīng)接口技術(shù)在電生理信號(hào)采集和控制方面存在明顯局限，主要表現(xiàn)為對(duì)神經(jīng)元群體的可及性有限、微電極密度不足，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)類腦器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的全面解析。這些技術(shù)短板嚴(yán)重制約了類腦器官在基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用潛力。

美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers院士、Colin K. Franz教授和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校John D. Finan教授、清華大學(xué)張一慧教授合作報(bào)道了一種形狀匹配的柔軟三維介觀框架，通過(guò)對(duì)類腦器官實(shí)現(xiàn)近乎完整的表面覆蓋，構(gòu)建了高通道數(shù)量的神經(jīng)接口，為精準(zhǔn)電生理分析和程序化電刺激提供了創(chuàng)新解決方案。該神經(jīng)接口通過(guò)逆向建模技術(shù)設(shè)計(jì)，可圍繞類腦器官自組裝形成三維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的三維重建和高分辨率空間電生理分析。多孔框架設(shè)計(jì)同時(shí)支持熒光成像、局部光遺傳調(diào)控、縱向監(jiān)測(cè)、藥效評(píng)估和神經(jīng)疾病表型建模，在人源皮層和脊髓類腦器官研究中展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景。相關(guān)論文以“Shape-conformal porous frameworks for full coverage of neural organoids and high-resolution electrophysiology”為題，發(fā)表在

Nature Biomedical Engineering

研究團(tuán)隊(duì)提出的設(shè)計(jì)策略核心在于通過(guò)逆向計(jì)算實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維幾何形狀的精確匹配（圖1a）。以球形類腦器官為例，研究人員將其表面離散化為相互連接的子表面，通過(guò)自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化梁結(jié)構(gòu)的彎曲剛度分布，使其屈曲構(gòu)型與目標(biāo)曲面高度吻合（圖1b）。為解決全表面覆蓋與三維曲率匹配的矛盾，創(chuàng)新性地引入微晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)控三角形微孔的尺寸分布實(shí)現(xiàn)材料有效模量的空間變化。微計(jì)算機(jī)斷層掃描成像顯示，該結(jié)構(gòu)對(duì)毫米級(jí)球形類腦器官的表面覆蓋率可達(dá)91%，集成了240個(gè)獨(dú)立尋址的微電極（直徑≤30微米），空間分辨率優(yōu)于100微米（圖1c,d）。鉑黑涂層使微電極在1千赫茲頻率下的電化學(xué)阻抗降低至約10千歐姆，電荷注入容量達(dá)到約200微安，具備優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（圖1e-g）。

圖1 | 近乎全表面覆蓋的三維形狀適形神經(jīng)接口 a，代表性系統(tǒng)的示意圖。對(duì)微晶格幾何形狀的二維前驅(qū)體應(yīng)用工程化機(jī)械屈曲方法，在逆計(jì)算模擬引導(dǎo)下形成所需的三維形狀。微晶格提供大面積以支持密集的微電極陣列，同時(shí)具有足夠的孔隙率允許自然代謝過(guò)程的擴(kuò)散運(yùn)輸。b，同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面幾何形狀和匹配類腦器官的三維曲率的設(shè)計(jì)策略示意圖。c，接口的微CT圖像，該接口在類腦器官的球形表面提供91%的表面覆蓋率，帶有240個(gè)用于測(cè)量和/或刺激的獨(dú)立尋址電極。d，與插入并在三維微晶格框架內(nèi)生長(zhǎng)的類腦器官中細(xì)胞接口的微電極陣列的熒光圖像。e，在該框架內(nèi)培養(yǎng)的類腦器官的示意圖和圖像（插圖），帶有用于神經(jīng)記錄和刺激的外部連接電路。f，來(lái)自人源脊髓類腦器官和皮層類腦器官的神經(jīng)尖峰波形集合。數(shù)據(jù)以每個(gè)簇內(nèi)所有尖峰的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。比例尺，1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。g，本工作中的三維神經(jīng)接口與其他類腦器官接口技術(shù)的比較，以表面覆蓋率和電極數(shù)量為函數(shù)繪制。數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)參考文獻(xiàn)12-21，46估計(jì)。

在人源誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的皮層類腦器官實(shí)驗(yàn)中，該神經(jīng)接口展現(xiàn)出高效的電生理記錄能力（圖2a-c）。免疫染色顯示分化60天后神經(jīng)元、神經(jīng)祖細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞分布均勻，神經(jīng)元間連接顯著形成。研究采用"原位生長(zhǎng)"策略確保接口與類腦器官間的緊密接觸（圖2d），通過(guò)跟蹤類腦器官生長(zhǎng)曲線確定合適的接口尺寸，避免插入過(guò)程中的機(jī)械壓迫（圖2e）。生長(zhǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)顯示數(shù)天內(nèi)接口與類腦器官間的空隙逐漸填充，活性通道數(shù)量相應(yīng)增加（圖2f）。240通道同步記錄數(shù)據(jù)顯示清晰的節(jié)律性神經(jīng)活動(dòng)模式（圖2g-i），其中強(qiáng)波后跟隨三個(gè)弱波的重復(fù)模式暗示了類腦器官水平的神經(jīng)元連接特征。

圖2 | 神經(jīng)類腦器官的整合和高密度記錄 a，分化第60天的人源皮層類腦器官免疫染色顯示均勻的細(xì)胞分布。b，組織的明場(chǎng)圖像，由神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞組成。c，通過(guò)電生理學(xué)和鈣熒光同步記錄檢測(cè)到的人源皮層類腦器官神經(jīng)活動(dòng)。a.u.，任意單位。d，"原位生長(zhǎng)"策略的示意圖，確保神經(jīng)接口與類腦器官之間的緊密、溫和接觸。e，跟蹤人源皮層類腦器官的生長(zhǎng)曲線以確定三維神經(jīng)接口的目標(biāo)尺寸。數(shù)據(jù)以六個(gè)不同人源皮層類腦器官的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。f，通過(guò)原位生長(zhǎng)過(guò)程各階段的電生理記錄顯示活性通道數(shù)量增加。g-i，使用240個(gè)獨(dú)立通道的接口對(duì)人源皮層類腦器官進(jìn)行高密度神經(jīng)記錄。g，接口的八個(gè)組成梁的示意圖，每個(gè)梁標(biāo)記有特定顏色。h，在240個(gè)電極位點(diǎn)測(cè)量的神經(jīng)電位。i，記錄的神經(jīng)活動(dòng)的光柵圖揭示復(fù)雜的振蕩節(jié)律。

高分辨率空間電生理學(xué)依賴于三維界面上密集分布的電極陣列（圖3a）。計(jì)算表明，要實(shí)現(xiàn)90%以上的可探測(cè)表面覆蓋率，至少需要240個(gè)微電極。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，8個(gè)微電極（探測(cè)范圍3.4%）無(wú)法捕捉任何振蕩爆發(fā)事件，32個(gè)微電極（探測(cè)范圍13.6%）僅能檢測(cè)到局部同步事件，而240個(gè)微電極陣列（探測(cè)范圍92%）則完整揭示了跨類腦器官的節(jié)律性振蕩波（圖3b）。通過(guò)將記錄數(shù)據(jù)與電極空間位置關(guān)聯(lián)，研究實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)活動(dòng)的三維表面重建，包括特定時(shí)刻的神經(jīng)電位分布、平均尖峰幅度和平均放電頻率（圖3d-f）。相關(guān)性分析揭示了類腦器官內(nèi)神經(jīng)單元間的顯著相關(guān)性及其精細(xì)結(jié)構(gòu)（圖3h,i），三維連接圖譜顯示相關(guān)神經(jīng)單元分布于整個(gè)類腦器官而非局限于鄰近區(qū)域，反映出類似發(fā)育中人腦的復(fù)雜三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組織。

圖3 | 三維空間電生理學(xué) a，微電極數(shù)量與可探測(cè)表面覆蓋率的函數(shù)關(guān)系。插圖：示意圖描繪半徑為r的微電極的有效探測(cè)距離（d）。b，使用不同數(shù)量微電極記錄的人源皮層類腦器官（第90天）神經(jīng)活動(dòng)。對(duì)于所有電位圖，比例尺：100毫秒（水平）和50微伏（垂直）；對(duì)于波形圖，比例尺：1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。c，根據(jù)三維電極位置映射神經(jīng)信號(hào)的示意圖。d-f，三維表面映射顯示神經(jīng)電位（d），平均尖峰幅度（e）和平均放電頻率（f）。g，特定位置記錄（左）：圖（右）顯示一個(gè)同步波內(nèi)的電位和典型的單單元尖峰波形。對(duì)于電位圖，比例尺：100毫秒（水平）和50微伏（垂直）；對(duì)于波形圖，比例尺：1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。h，人源皮層類腦器官389個(gè)記錄神經(jīng)單元間的相關(guān)性分析。i，一個(gè)示例神經(jīng)單元的相關(guān)單元的三維連接圖（左），以及來(lái)自（h）中同一個(gè)人源皮層類腦器官所有通道間的強(qiáng)相關(guān)性（右）。j，電刺激和同步鈣熒光成像的示意圖。k，熒光圖像的亮度分析顯示無(wú)刺激、60秒間隔刺激、30秒間隔刺激和刺激后的人源皮層類腦器官神經(jīng)活動(dòng)。l，基線熒光成像和亮度差異圖，刺激分別來(lái)自單個(gè)微電極、一個(gè)梁的所有微電極、兩個(gè)梁的所有微電極。實(shí)驗(yàn)在三個(gè)獨(dú)立的人源皮層類腦器官中重復(fù)得到相似結(jié)果。a.u.，任意單位。

該技術(shù)在設(shè)計(jì)上具有多維度可調(diào)性（圖4）。通過(guò)減小微孔尺寸可在保持二維幾何形狀和剛度分布的同時(shí)增加微電極數(shù)量，最高可達(dá)1800個(gè)微電極，空間分辨率達(dá)40微米（圖4a,b）。平均孔隙率可在高達(dá)70%的范圍內(nèi)調(diào)整（圖4c），表面覆蓋率可在53%至91%之間變化，實(shí)現(xiàn)微電極陣列在感興趣區(qū)域的集中分布（圖4d）。該策略還支持非球形形狀的設(shè)計(jì)，如六棱柱、立方體、橢球體、棱錐體甚至不對(duì)稱幾何形狀（圖4e），培養(yǎng)后的類腦器官可呈現(xiàn)相應(yīng)的工程化形狀（圖4f,g），為神經(jīng)生物力學(xué)研究和精準(zhǔn)構(gòu)建模塊化組裝提供了新工具。

圖4 | 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和具有工程化三維形狀的類腦器官生長(zhǎng)的多功能性 a，計(jì)算引導(dǎo)的微晶格布局細(xì)化過(guò)程的示意圖，以最大化微電極密度，同時(shí)保持所需的二維幾何形狀和剛度分布。b-d，空間分辨率的實(shí)際可達(dá)到水平作為電極數(shù)量的函數(shù)（b），孔隙率作為電極數(shù)量的函數(shù)（c），以及表面覆蓋率作為電極數(shù)量的函數(shù)（d），基于有限元分析結(jié)果。e，微CT成像顯示六棱柱、立方體、橢球體和棱錐體形狀的三維接口。f，具有工程化六棱柱、立方體和橢球體形狀的人源皮層類腦器官的明場(chǎng)圖像。g，具有球形、六棱柱和立方體幾何形狀的人源皮層類腦器官的底視圖熒光圖像。比例尺，1毫米。

該技術(shù)的應(yīng)用潛力在多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證（圖5）。縱向監(jiān)測(cè)顯示大部分單單元尖峰波形在20天內(nèi)保持穩(wěn)定（圖5a）。藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，鉀通道阻斷劑4-氨基吡啶使平均放電頻率從0.28±0.06赫茲增加至1.2±0.2赫茲，而鈉通道阻斷劑利多卡因和河豚毒素則幾乎完全消除自發(fā)活動(dòng)（圖5b）。光遺傳調(diào)控實(shí)驗(yàn)中，特定區(qū)域的激光照射可實(shí)現(xiàn)與光刺激鎖相的神經(jīng)響應(yīng)（圖5c-e）。肉毒毒素暴露消除了明顯的振蕩節(jié)律（圖5f,g），表明化學(xué)突觸連接顯著減少。谷氨酸毒性模型顯示，谷氨酸應(yīng)用后24小時(shí)內(nèi)放電頻率從0.19±0.06赫茲增至0.6±0.2赫茲，隨后數(shù)天內(nèi)急劇下降至0.05±0.03赫茲（圖5h-j），與興奮性毒性引起的神經(jīng)退行性變過(guò)程一致。

圖5 | 在類腦器官研究各領(lǐng)域的應(yīng)用示范 a，神經(jīng)類腦器官的縱向監(jiān)測(cè)顯示插入后數(shù)天內(nèi)單個(gè)神經(jīng)單元的穩(wěn)定追蹤。比例尺，1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。b，神經(jīng)類腦器官對(duì)4-AP、利多卡因和河豚毒素暴露的響應(yīng)，通過(guò)整合的三維接口的96個(gè)獨(dú)立通道記錄，以放電頻率熱圖顯示，突出這些藥物應(yīng)用前后的活動(dòng)變化。雙尾t檢驗(yàn)表明平均放電頻率的變化具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性：4-AP **P=1.57×10??，利多卡因 **P=1.18×10??，河豚毒素 **P=2.01×10?3。c，位置可調(diào)的光纖激光器進(jìn)行局部光遺傳刺激的示意圖。d，四個(gè)微電極局部照明的強(qiáng)度分布的蒙特卡洛模擬。e，暴露的微電極和幾個(gè)未暴露的鄰近微電極的響應(yīng)的光柵圖，顯示僅前者出現(xiàn)相位鎖定的響應(yīng)。f，肉毒毒素暴露消除神經(jīng)遞質(zhì)效果的示意圖。g，代表性通道在肉毒毒素暴露前后的響應(yīng)光柵圖，顯示振蕩性同步神經(jīng)活動(dòng)的消除。h，谷氨酸暴露增強(qiáng)神經(jīng)傳遞的示意圖。i，整合類腦器官在谷氨酸給藥前后的放電頻率熱圖，顯示極度的神經(jīng)元興奮效應(yīng)。j，整合的三維接口的96個(gè)獨(dú)立通道的縱向監(jiān)測(cè)顯示谷氨酸暴露后5天內(nèi)平均放電頻率先升高后降低。b和j中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。f和h示意圖由BioRender創(chuàng)建：Wu, M.（2025）https://BioRender.com/Swd9f21。

本研究提出的三維介觀電子學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)類腦器官的近乎完整表面覆蓋、高分辨率電生理測(cè)量和電刺激調(diào)控。非常規(guī)的材料架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法結(jié)合受限生長(zhǎng)技術(shù)，構(gòu)建了對(duì)復(fù)雜類腦器官表面具有空間連續(xù)性和低阻抗的界面，同時(shí)保持足夠的滲透性支持自然代謝過(guò)程的擴(kuò)散運(yùn)輸。計(jì)算引導(dǎo)的設(shè)計(jì)空間不僅容納了微電極數(shù)量、分布、分辨率、孔隙率和覆蓋范圍的廣泛選項(xiàng)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)成熟類腦器官形狀的工程化控制。數(shù)百個(gè)獨(dú)立尋址的微電極支持類腦器官網(wǎng)絡(luò)層面活動(dòng)的單單元神經(jīng)元記錄，以及直接用于空間電生理學(xué)的三維重建。在局部光遺傳激活、神經(jīng)回路操縱和神經(jīng)疾病表型發(fā)展等方面的應(yīng)用示例，預(yù)示著該方法在神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)疾病進(jìn)展研究中的廣泛應(yīng)用前景，也為類腦器官智能系統(tǒng)和其他類型及組合的類腦器官研究提供了新的可能性。