大腦學(xué)習(xí)記憶以及突觸可塑性的機制依然是一個充滿謎團的領(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(fā)生的經(jīng)典電生理指標，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，能夠同時檢測數(shù)百個神經(jīng)元的放電，并且支持對樣本的長期觀測，這使得該技術(shù)在發(fā)育相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究上具有獨特的優(yōu)勢。

我們今天介紹的這篇論文是一個很好的嘗試，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(xué)Lena Smirnova教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊于2025年8月16日在《Communications Biology》（IF₂₀₂₄=5.2）期刊上發(fā)表。

研究系統(tǒng)運用HD-MEA技術(shù)對神經(jīng)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(fā)和誘發(fā)活動，分析了四個關(guān)鍵方面：

• 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)記錄。發(fā)現(xiàn)成熟類器官爆發(fā)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(tài)評估。通過分支比和臨界性偏離系數(shù)證實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)短期增強和長時程增強/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)評估其發(fā)育（Figure 1）。

Figure 1：實驗設(shè)計與流程概覽

a) 實驗時間線：從iPSC誘導(dǎo)至14周分化，包括基因表達、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)活動中提取電極信號，構(gòu)建功能連接網(wǎng)絡(luò)與臨界性指標。
c) 突觸可塑性誘導(dǎo)機制示意圖：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
研究通過RNA測序和免疫熒光染色證實，神經(jīng)類器官在分化過程中逐漸表達關(guān)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(wěn)定，提示類器官在第8至12周達到功能成熟狀態(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(wěn)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(guān)分子動態(tài)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(jīng)前體細胞中已有表達并保持穩(wěn)定（Figure 2）。上游調(diào)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(guān)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(diào)中的作用。

3. 鈣成像揭示自發(fā)電活動隨分化時間演變
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)時間的爆發(fā)模式，表明神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)同步性增強。第10–14周，爆發(fā)頻率和振幅下降，但持續(xù)時間穩(wěn)定，提示網(wǎng)絡(luò)活動趨于成熟。

Figure 3：鈣振蕩動態(tài)與網(wǎng)絡(luò)成熟

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

4. 高密度微電極陣列記錄顯示網(wǎng)絡(luò)動態(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、活動面積更大，但10–13周類器官表現(xiàn)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(tài)，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(tài)是否接近理想狀態(tài)的指標，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是一個用于量化神經(jīng)系統(tǒng)（如腦組織和類器官）的活動狀態(tài)與其理想臨界狀態(tài)之間距離的指標，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)活動中活動傳播或衰減趨勢的關(guān)鍵指標。BR值越接近1，意味著神經(jīng)活動處于理想的臨界狀態(tài)，活動既不會迅速消亡，也不會爆炸式增長，而是可以穩(wěn)定、持續(xù)地傳播，此時網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力和動態(tài)范圍被認為是最優(yōu)的。

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

a,b) 第6–9周與10–13周類器官在MEA上的發(fā)放圖譜與活動面積。
c) 爆發(fā)頻率、峰數(shù)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(jié)點數(shù)、邊分數(shù)、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(tài)。

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本研究中使用的高密度微電極陣列（HD-ME）設(shè)備由瑞士MaxWell Biosystems公司研發(fā)生產(chǎn)。HD-MEA技術(shù)在8.1 mm²芯片表面集成26,400個電極（密度3,259 electrodes/mm²，間距17.5 μm），將電信號采集的空間分辨率提升至亞細胞層級，可捕獲樣本的每一個神經(jīng)元電信號。不僅支持急性腦切片、視網(wǎng)膜組織等生物樣本的急性實驗記錄，更支持體外培養(yǎng)神經(jīng)元、類器官、心肌細胞的長時程檢測。

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5. 藥理學(xué)干預(yù)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(wǎng)絡(luò)活動并誘導(dǎo)IEGs表達，而谷氨酸能受體拮抗劑（NBQX+AP5）則完全抑制爆發(fā)活動（Figure 6）。進一步阻斷多巴胺能和去甲腎上腺素能神經(jīng)元后，剩余活動顯著減少，表明這些神經(jīng)元在維持基礎(chǔ)活動中起重要作用。

Figure 6：藥理學(xué)干預(yù)對IEGs與電活動的影響

a) 藥理學(xué)處理2小時后IEGs表達變化。
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）刺激單個神經(jīng)元可誘發(fā)短期突觸可塑性（STP），表現(xiàn)為活動面積、總峰電位和誘發(fā)活動在刺激后立即增加（Figure 7）。部分神經(jīng)元在刺激后180分鐘內(nèi)保持增強或抑制的發(fā)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(dǎo)的短期突觸可塑性

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

Figure 8：TBS誘導(dǎo)的連接性、臨界性與長時程可塑性

a–c) 刺激后節(jié)點數(shù)、邊分數(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)保持增強或抑制。

研究總結(jié)
本研究系統(tǒng)驗證了人源神經(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、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(jīng)系統(tǒng)疾病的體外模型提供了有力證據(jù)。

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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