研究概述：

基底前腦中的 Meynert 基底核 (nbM) 是人腦重要的膽堿能中心，其向皮層發(fā)出的膽堿能長程投射 (cholinergic long‑range projection) 參與學(xué)習(xí)、注意力與記憶調(diào)控。基底前腦–皮層膽堿能通路的損傷與阿爾茨海默病、唐氏綜合征等多類神經(jīng)退行性和發(fā)育性疾病密切相關(guān)。由于基底前腦譜系在體外難以精準(zhǔn)誘導(dǎo)、膽堿能投射神經(jīng)元難以形成長程軸突，且長期缺乏能夠驗證通路方向性、誘發(fā)性與因果性的功能工具，人源基底前腦-皮層通路尚未建立。

本研究通過優(yōu)化 SHH–Purmorphamine–NGF 誘導(dǎo)策略，首次構(gòu)建了具備基底前腦區(qū)域特、富含 CHAT⁺/VACHT⁺ 投射型膽堿能神經(jīng)元的人源基底前腦類器官 (hnbMO)，并在電生理與遞質(zhì)釋放層面證實其成熟功能。隨后，研究團(tuán)隊在人胎腦組織共培養(yǎng)與免疫缺陷小鼠雙腦區(qū)移植體系中，進(jìn)一步驗證這些膽堿能神經(jīng)元能夠向皮層發(fā)出長程投射并形成功能性突觸。作者還將基底前腦類器官與皮層類器官 (hCO) 融合，建立了基底前腦–皮層組裝體 (nbM‑cortical assembloids)，并通過病毒示蹤與光遺傳確認(rèn)投射軸突逐步進(jìn)入皮層并完成突觸連接。

在功能驗證方法中，3Brain高密度3D微電極陣列平臺 (3D HD‑MEA) (BioCAMDupleX 儀器 + Core Plate 3D 芯片 + BrainWave5 軟件)，提供了關(guān)鍵的通路級功能驗證，基底前腦類器官網(wǎng)絡(luò)成熟度的電生理確認(rèn)，以及組裝體中基底前腦→皮層投射的方向性、誘發(fā)性因果證據(jù)。

基于此平臺，作者進(jìn)一步構(gòu)建了唐氏綜合征 (DS) 來源的基底前腦–皮層組裝體，清晰呈現(xiàn)出膽堿能神經(jīng)元在軸突投射、突觸連接與網(wǎng)絡(luò)活動上的顯著缺陷，為解析認(rèn)知障礙與通路損傷機制提供了可靠的人源模型。相關(guān)成果于 2025 年 11 月發(fā)表在Cell Stem Cell (IF = 20.4)。

3D HD-MEA驗證基底前腦→皮層的方向性投射
3Brain 的 高密度3D微電極陣列（4096 通道、60µm 電極間距、3.8×3.8mm²記錄面積）可在類器官體系中同時實現(xiàn)精準(zhǔn)定位刺激與全陣列自發(fā)放電記錄 (full-array spontaneous recording)。依托其立體電極結(jié)構(gòu)，電極可輕微嵌入類器官表層并與組織原位 (in situ) 貼合，從而直接耦合類器官內(nèi)部神經(jīng)元，獲取來源明確且具有一致時空分辨率的細(xì)胞外動作電位 (spikes)。

在基底前腦→皮層組裝體中，3D HD‑MEA 首先在未刺激條件下繪制功能連接圖譜 (functional connectivity map)：基底前腦側(cè)呈現(xiàn)更多發(fā)送節(jié)點 (sender)，皮層側(cè)呈現(xiàn)更多接收節(jié)點 (receiver)，提示該通路具有符合生理的方向偏好（圖1A、1B）。進(jìn)一步在基底前腦側(cè)實施局部電刺激，可在皮層側(cè)記錄到時間鎖定的誘發(fā)動作電位 (evoked spikes)（圖1A、1C），直接給出跨區(qū)域、方向性、誘發(fā)性的通路級功能證據(jù)，使該體系從“結(jié)構(gòu)連通”上升為“功能連通”。

圖 1｜3Brain 3D HD‑MEA 捕獲基底前腦→皮層投射的方向性功能連接

(A) 融合培養(yǎng) 20 天的基底前腦–皮層組裝體的記錄場景（左）以及刺激前（右上）與刺激后（右下）的功能連接圖譜。每個節(jié)點代表一個記錄電極：紅色 = 發(fā)送端，藍(lán)色 = 接收端，白/灰色 = 中介節(jié)點（broker，既接收也轉(zhuǎn)發(fā)活動）。連線表示不同電極間的功能相關(guān)性，其顏色表示相關(guān)強度。刺激后，連接數(shù)量與強度顯著提升，網(wǎng)絡(luò)整體被激活（節(jié)點“聚集”為布局算法呈現(xiàn)方式，非解剖位置）。

(B) 量化分析：基底前腦側(cè)發(fā)送端顯著多于皮層側(cè)；皮層側(cè)接收端顯著多于基底前腦側(cè)。

(C) 皮層側(cè)光柵圖。在基底前腦側(cè)施加局部刺激后，皮層側(cè)多個通道在相同時間窗出現(xiàn)高密度放電帶（加粗橫帶）�？v軸：記錄通道；黑線：放電。

此外，在類器官階段（未組裝前），3D HD‑MEA 還檢測到自發(fā)放電與網(wǎng)絡(luò)同步化活動 (圖2A、2B；視頻1），說明基底前腦類器官內(nèi)部已形成成熟膽堿能網(wǎng)絡(luò)，為通路功能驗證奠定電生理基礎(chǔ)。

圖 2｜3Brain 3D HD‑MEA 記錄類腦網(wǎng)絡(luò)同步化放電

(A) 培養(yǎng)120天的基底前腦類器官的記錄場景。右側(cè)為同一記錄的平均放電率曲線（Mean Firing Rate, MFR）與光柵圖：可見網(wǎng)絡(luò)周期性出同步化放電，即 MFR 的峰值與 光柵中多通道同時放電的條帶時序?qū)��?yīng)。

(B) 同步放電事件的平均放電率進(jìn)行量化。

3D HD-MEA實驗流程
01. 樣本接種
融合培養(yǎng)20 天的基底前腦–皮層組裝體被直接鋪設(shè)于 3Brain BioCAM DupleX平臺搭配的CorePlate 3D芯片上，芯片表面覆蓋一層透明聚酯膜濾片以確保樣本充分貼合并獲得穩(wěn)定接觸。隨后，將組裝體靜置20min以完成沉降與原位固定。

02. HD‑MEA 數(shù)據(jù)采集（在BrainWave 5中配置）
刺激設(shè)置 | 在基底前腦側(cè)選取電極作為刺激點，并將相鄰的兩個電極設(shè)為正極、另兩個相鄰電極設(shè)為負(fù)極，兩極之間間隔一個電極以形成局部化且穩(wěn)定的刺激場。刺激參數(shù)設(shè)定為脈沖時長 50ms、刺激強度 65µA，每次間隔 10s。

記錄階段 | 皮層側(cè)多通道電極用于同步并行記錄神經(jīng)活動，系統(tǒng)將自動保留每次刺激事件的時間戳，用于后續(xù)進(jìn)行“刺激–響應(yīng)” 對齊分析。

03. 數(shù)據(jù)分析
原始數(shù)據(jù)在BrainWave5 軟件中完成全套預(yù)處理與分析流程，包括以 100Hz 高通濾波去除低頻漂移與慢波信息，并使用內(nèi)置算法進(jìn)行spike檢測與分揀。隨后，以刺激事件作為時間零點，將刺激前后窗口對齊，用于量化誘發(fā)響應(yīng)的平均放電率、刺激‑響應(yīng)的重復(fù)性指標(biāo)。此外，通過內(nèi)置算法進(jìn)行spike 時間序列相關(guān)性分析（spike‑train cross‑correlation）和節(jié)點角色推斷算法（functional connectivity & node‑role assignment），基于全陣列的放電時序計算各通道之間的驅(qū)動關(guān)系，從而生成跨區(qū)域的功能連接圖譜（圖1）。

討論與展望：
隨著核團(tuán)級類器官和通路級類聯(lián)合體的成熟，神經(jīng)科學(xué)的關(guān)注點正從“結(jié)構(gòu)是否正確”轉(zhuǎn)向“通路是否真正可用”。研究者越來越關(guān)心：這些模型能否在體外執(zhí)行真實的信息處理，從而支持通路級藥理學(xué)與疾病通路建模？

在這樣的需求下，3Brain 已不再只是電生理記錄工具，它將跨區(qū)域刺激‑響應(yīng)、時序解析、節(jié)點角色識別整合于單一體系，使研究者能夠在體外直接測量以及分析長程投射的功能狀態(tài)。無論是膽堿能系統(tǒng)、丘腦–皮層互作、干預(yù)長程投射疾病，還是未來針對通路可塑性與通路藥理學(xué)的研究，3Brain HD‑MEA 都在成為這些模型從“結(jié)構(gòu)存在”走向“功能成立”的關(guān)鍵技術(shù)。

神經(jīng)類器官研究正在進(jìn)入功能時代。3Brain 提供了讓投射可觀測、讓通路可驗證、讓功能真實可證的能力。

參考與圖片來源
Wang, D., Zhang, X., Tang, X.-Y., Gan, Y., Yu, H., Wu, S., Hong, Y.,Tao, M., Chu, C., Qi, X., Hu, H., Zhu, Y., Zhu, W., Han, X., Xu, M., Dong, Y.,Cheng, Q., Guo, X., & Liu, Y. (2025). Generation of human nucleus basalisorganoids with functional nbM–cortical cholinergic projections in transplanted assembloids. Cell Stem Cell, 32, 1833–1848. https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.10.004

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3Brain 鏈接未來，加速藥物發(fā)現(xiàn)