解析iPSC誘導神經肌肉接頭中神經元與肌細胞的特異性電活動
神經肌肉接頭（Neuromuscular Junction，NMJ）是運動神經元軸突末梢與骨骼肌纖維之間形成的特化化學突觸，其功能異常與肌萎縮側索硬化癥、脊髓性肌萎縮癥等多種重大疾病密切相關。
然而，該模型的功能性評估一直是技術瓶頸。傳統(tǒng)膜片鉗技術通量低且難以長期監(jiān)測；常規(guī)低密度多電極陣列電極密度不足，無法區(qū)分緊密共生的神經元與肌肉細胞各自發(fā)放的電信號，所獲數(shù)據(jù)多為混合信號，信息價值有限。
本次分享的實驗利用Maxwell超高分辨率微電極陣列（HD-MEA）系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了對hiPSC來源神經肌肉接頭的高時空分辨率電生理監(jiān)測。其核心價值在于，系統(tǒng)不僅能檢測到突觸傳遞引發(fā)的復合電活動，更能憑借亞細胞級空間分辨率（電極間距17.5 µm），并識別出起源于神經元胞體到骨骼肌的放電，并通過系統(tǒng)軟件自帶的動作電位足跡（Spike Footprint）分析功能，對這兩類信號進行可視化分類。
我們公眾號會在實驗分享版塊定期分享公司內部數(shù)據(jù)結果，以便大家更全面地了解高密度MEA技術的特點和應用，歡迎持續(xù)關注！
實驗過程
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樣品制備： 將hiPSC定向分化的運動神經元與骨骼肌細胞進行三維共培養(yǎng)，形成功能性的神經肌肉接頭。
- 記錄流程： 將成熟的神經肌肉接頭置于Maxwell HD-MEA芯片（26,400電極/8.1 mm²，電極間距17.5 µm）上就可以直接進行檢測。如下圖。
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本研究中使用的高密度微電極陣列（HD-MEA）設備由瑞士MaxWell Biosystems公司研發(fā)生產。HD-MEA技術在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元電信號。不僅支持急性腦切片、視網膜組織等生物樣本的急性實驗記錄，更支持體外培養(yǎng)神經元、類器官、心肌細胞的長時程檢測。
禮智生物是MaxWell中國區(qū)獨家授權代理商，積累了豐富的高密度MEA技術的實驗和數(shù)據(jù)分析經驗。歡迎聯(lián)系我們，了解這一技術的更多細節(jié)和資料�。�(lián)系方式見文末）
結果1- NMJ的電信號檢測
視頻1是HD-MEA檢測神經肌肉接頭的電信號結果。
- Electrodes圖是整個電極的圖示，鋪在電極上的神經肌肉接頭照片可以與電極陣列進行merge，展示正在記錄和放電的電極視圖，紅色三角代表記錄到動作電位,可以看到放電位置與神經肌肉接頭位置完整重合。
- Electrodes hot圖，上面的顏色代表檢測到的峰電位的不同幅值。
- Traces圖，可以看到不同電極上記錄到的動作電位，也以紅色三角標識。
- Raster plot圖，上面每一排是代表一個電極，每一個點是記錄到的峰電位。
在檢測的過程中，在神經肌肉接頭兩端檢測到兩種不同波形的電信號。如視頻2所示。
視頻2.神經肌肉接頭兩端檢測到的電信號。來源：禮智生物科技
這個視頻中，中間上方的視頻中在顯示神經肌肉接頭上不同位置存在有spike的發(fā)放。
- 黃色方框部位檢測出來的trace圖在左側顯示，其鋒電位的波形幅值通常更高，時程略寬，常伴隨收縮相關的后電位，更接近于肌肉細胞的波形特征。
- 綠色方框部位檢測出來的trace圖在右側顯示，其鋒電位的波形幅值較低，峰電位尖銳，時程短，更接近于神經元的波形特征。
結果3- NMJ上肌細胞和神經元的Footprint展示
除此之外，由于Maxwell擁有超高分辨率的電極，單個細胞會跨越多個電極，因此Maxwell可以檢測到動作電位在同一個細胞不同部位傳播的過程，如視頻3所示：
視頻3. 細胞內的傳導。來源：禮智生物科技
Footprint：當細胞產生一個動作電位時，其電場會擴散到周圍空間。HD-MEA 的密集電極陣列能瞬間捕捉到這個電場在二維平面上的完整空間電壓分布圖，該圖像即為該放電單元的Footprint。不同細胞的footprint不同。
視頻4. 上肌細胞和神經元的Footprint。來源：禮智生物科技
在視頻4中，我們可以看到：
- 上方黃色框中標記的肌肉細胞的footprint：肌肉細胞的Footprint通常表現(xiàn)為長條帶，其上的典型波形是幅值很大、相對寬的雙向波。因為動作電位沿肌纖維長軸傳導，被沿途數(shù)多個電極依次記錄。
- 綠色方框標記的是神經元的footprint：可以看到神經元的放電區(qū)域在空間上會高度集中，呈現(xiàn)出中間幅值大，對應其胞體的局部放電，邊緣幅值小，對應軸突附近的動作電位。
通過這種方式，在未經物理分離的神經肌肉的共培養(yǎng)體系中，實時區(qū)分來自于肌肉和神經元不同放電類型的動作電位。
視頻5. 肌肉電信號在空間上擴布的過程。來源：禮智生物科技
此外，如視頻5所示，在這樣的高分辨率下，我們可以清楚地看到肌肉電信號在空間上擴布的過程。
技術價值：為神經肌肉研究開啟新維度
Maxwell HD-MEA的超高分辨率的設計，使其超越了傳統(tǒng)電生理記錄工具的范疇，成為一個強大的細胞類型特異性功能解析平臺：
- 實現(xiàn)真正意義上的共培養(yǎng)系統(tǒng)分析：無需遺傳標記或物理分割，即可無創(chuàng)區(qū)分并監(jiān)測共培養(yǎng)體系中神經元網絡與肌肉網絡各自的活動動態(tài)。
- 揭示神經肌肉傳遞的微觀細節(jié)：可精確測量從神經元到肌肉響應的延遲，分析傳遞效率與可塑性。
- 賦能精準疾病建模與藥物篩選：為ALS、SMA等神經肌肉疾病的iPSC模型提供了直接、定量且信息量巨大的功能表型讀取窗口，極大地促進了機理研究與治療方案的開發(fā)。
綜上所述，Maxwell HD-MEA系統(tǒng)憑借超高空間分辨率，可在體外無損、同步解析iPSC神經肌肉接頭中不同的細胞電活動，標志著神經肌肉研究進入了一個能夠同時監(jiān)聽“神經對話”與“肌肉回響”的高清時代。
