小膠質(zhì)細胞作為大腦的常駐免疫細胞，不僅執(zhí)行經(jīng)典的免疫防御功能，還在神經(jīng)元成熟、突觸精細化和跨區(qū)域神經(jīng)環(huán)路構(gòu)建中發(fā)揮不可或缺的作用。然而，人類小膠質(zhì)細胞在不同腦區(qū)的區(qū)域特異性特征及其在特定神經(jīng)環(huán)路中的功能，一直是領(lǐng)域內(nèi)難以攻克的關(guān)鍵科學問題。

近日，普渡大學楊陽教授團隊在Science Advances（影響因子：11.7）發(fā)表重磅研究，利用人源誘導多能干細胞（hiPSC）來源的區(qū)域特異性腦類器官（皮質(zhì)、紋狀體、中腦）整合小膠質(zhì)細胞，構(gòu)建了微膠質(zhì)細胞-中腦-紋狀體組裝體模型，并結(jié)合3Brain公司高密度微電極陣列（HD-MEA）系統(tǒng)，首次揭示了小膠質(zhì)細胞在人類亞皮質(zhì)環(huán)路中的區(qū)域特異性功能及其在自閉癥相關(guān)SCN2A突變背景下的病理機制。

一 研究背景：小膠質(zhì)細胞的區(qū)域異質(zhì)性為何重要？
小膠質(zhì)細胞起源于胚胎卵黃囊，在早期發(fā)育階段遷入大腦，隨后在不同腦區(qū)呈現(xiàn)出顯著的形態(tài)、密度和轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性。這種區(qū)域特異性被認為與局部神經(jīng)元類型和微環(huán)境信號密切相關(guān)，尤其在與神經(jīng)精神疾病高度相關(guān)的紋狀體、中腦等亞皮質(zhì)區(qū)域，人類小膠質(zhì)細胞的研究仍極為有限。

此前，該團隊已在Molecular Psychiatry發(fā)表研究，發(fā)現(xiàn)Scn2a缺陷小鼠模型中，小膠質(zhì)細胞介導的突觸過度修剪導致興奮/抑制失衡（Wu et al., 2024）。但人類小膠質(zhì)細胞如何在亞皮質(zhì)環(huán)路中感知神經(jīng)元活動并參與疾病病理，仍是未解之謎。

二 技術(shù)突破：3Brain HD-MEA助力功能性連接驗證
本研究的關(guān)鍵技術(shù)支撐之一，是3Brain公司的高密度微電極陣列（HD-MEA）系統(tǒng)。研究者使用Multiwell HyperCam Alpha（3Brain AG, Switzerland）對構(gòu)建的中腦-紋狀體-小膠質(zhì)細胞組裝體進行功能性記錄。

HD-MEA記錄關(guān)鍵參數(shù)：

• 電極配置：2304×2304電極陣列，60 μm間距，記錄面積2.9×2.9 mm²
• 采樣率：10,000 Hz，硬件高通濾波100 Hz
• spike檢測：帶通濾波20-5000 Hz，閾值設為8倍標準差
•  burst分析：最大ISI 100 ms，最少5個spike
• 網(wǎng)絡burst檢測：10%電極募集，最少50個spike

關(guān)鍵驗證實驗：
為驗證中腦-紋狀體環(huán)路的功能連接特異性和成熟度，研究者對hMO-hStrO-Mg組裝體進行HD-MEA記錄，急性灌流D1受體拮抗劑SCH-23390聯(lián)合D2受體拮抗劑Sulpiride。結(jié)果顯示：

• 紋狀體區(qū)域放電率顯著下降
• 中腦區(qū)域放電率無明顯變化
• 證實了多巴胺能投射的功能特異性，表明構(gòu)建的中腦-紋狀體環(huán)路已具備功能成熟度

圖 1 CNO激活前后中腦和紋狀體區(qū)域平均放電率定量
 

圖 2 HD-MEA記錄的熱圖和功能連接圖，直觀展示信號傳遞

這一結(jié)果為后續(xù)使用化學遺傳學（Gq-DREADD）激活中腦神經(jīng)元并觀察紋狀體小膠質(zhì)細胞鈣響應奠定了堅實基礎(chǔ)。

三 核心發(fā)現(xiàn)：小膠質(zhì)細胞的區(qū)域特異性與GABA_B受體依賴性響應
1 單細胞轉(zhuǎn)錄組揭示六種小膠質(zhì)細胞亞型
通過對皮質(zhì)、紋狀體、中腦類器官整合小膠質(zhì)細胞后的樣本進行scRNA-seq，研究團隊鑒定出六個小膠質(zhì)細胞亞群（A-F），其中：

• Cluster B（H-SR-MG）在紋狀體類器官中高度富集（~50%），顯著表達GABA_B受體基因（GABBR1, GABRB1, GABRA2）
• GO分析顯示該亞群與神經(jīng)元興奮性調(diào)控、突觸可塑性調(diào)節(jié)密切相關(guān)

圖 3 H-I：六種小膠質(zhì)細胞亞群的UMAP聚類和標記基因點圖；J：各亞群在皮質(zhì)、紋狀體、中腦類器官中的分布；L-M：GABA受體基因在不同亞群及不同腦區(qū)小膠質(zhì)細胞中的表達。

2 小膠質(zhì)細胞促進軸突投射與組裝體融合
使用GCaMP6f標記的小膠質(zhì)細胞和AAV-hSyn-mScarlet標記的中腦神經(jīng)元，活細胞成像顯示：

• 含小膠質(zhì)細胞的組裝體在融合后30天，mScarlet標記的軸突投射面積顯著增加
• 融合成功率從~60%提升至~90%（p < 0.05）
• 提示小膠質(zhì)細胞在跨區(qū)域神經(jīng)環(huán)路構(gòu)建中發(fā)揮主動支持作用

圖 4 左：不同時間點（10、20、30天）中腦-紋狀體軸突投射的代表性圖像；中：融合成功率統(tǒng)計；右：mScarlet投射面積定量。

3 小膠質(zhì)細胞通過GABA_B受體感知環(huán)路激活
在Gq-DREADD激活中腦-紋狀體環(huán)路后，結(jié)合CGP 55845（GABA_B受體拮抗劑）和GABBR1基因敲除，研究發(fā)現(xiàn)：

• 紋狀體小膠質(zhì)細胞鈣信號（GCaMP6f）顯著升高
• CGP處理或GABBR1敲除完全阻斷鈣響應
• HD-MEA證實CGP對神經(jīng)元興奮性無顯著影響，說明效應主要來自小膠質(zhì)細胞

圖 5 F-H：不同處理組（對照、CGP、GABBR1 KO）小膠質(zhì)細胞鈣信號圖像；I-L：鈣信號幅度和面積的定量分析。

4 SCN2A-C959X突變背景下小膠質(zhì)細胞過度激活
在攜帶自閉癥相關(guān)SCN2A無義突變（C959X）的組裝體中：

• 膜片鉗記錄顯示紋狀體MSN神經(jīng)元興奮性顯著升高
• 小膠質(zhì)細胞鈣信號幅度和面積增加2-3倍
• Imaris 3D重建顯示小膠質(zhì)細胞內(nèi)CD68⁺溶酶體體積增加，VGAT⁺抑制性突觸被過度吞噬
• CGP處理或GABBR1敲除可逆轉(zhuǎn)上述病理表型，恢復抑制性突觸數(shù)目

圖 6 A：SCN2A C959X突變體（含控制性或GABBR1敲除小膠質(zhì)細胞）組裝體的發(fā)育示意圖。B-C：WT與C959X突變組MSN神經(jīng)元動作電位頻率；D-G：各組小膠質(zhì)細胞鈣信號圖像及定量；H-K：VGAT/IBA1/CD68三重染色及Imaris重建圖像，顯示突觸吞噬體積。

四 研究意義與展望
本研究首次在人源亞皮質(zhì)環(huán)路模型中系統(tǒng)揭示了小膠質(zhì)細胞的區(qū)域異質(zhì)性及其功能意義，并驗證了GABA_B受體作為小膠質(zhì)細胞感知神經(jīng)元活動、調(diào)控突觸修剪的關(guān)鍵分子開關(guān)。更重要的是，研究團隊成功將3Brain HD-MEA系統(tǒng)應用于復雜類器官組裝體的功能性驗證，為未來藥物篩選、基因治療評估、疾病機制解析提供了高內(nèi)涵、高通量的技術(shù)平臺。

圖 7 總結(jié)示意圖，展示小膠質(zhì)細胞如何通過GABA_B受體感知中腦-紋狀體環(huán)路活性，并在SCN2A突變背景下介導病理改變。

技術(shù)亮點總結(jié)：

• HD-MEA實現(xiàn)了對亞皮質(zhì)環(huán)路功能連接的特異性驗證
• GCaMP6f標記結(jié)合活細胞鈣成像，實時追蹤小膠質(zhì)細胞動態(tài)
• GABBR1基因敲除與藥理阻斷雙重驗證，確證分子機制
• Imaris 3D重建定量分析突觸吞噬，揭示病理過程

五 產(chǎn)品信息：3Brain HD-MEA系統(tǒng)
3Brain公司的HyperCam系列高密度微電極陣列，憑借2304×2304電極、10 kHz采樣率、實時spike sorting和網(wǎng)絡burst分析，已成為神經(jīng)科學研究中解析復雜環(huán)路功能、驗證藥物靶點、評估疾病模型的理想工具。其六孔板設計支持多組平行實驗，BrainWave軟件提供從原始數(shù)據(jù)到功能連接圖譜的一站式分析。

適用場景：

• 類器官/組裝體功能性驗證
• 藥物篩選與毒性測試
• 神經(jīng)精神疾病模型機制研究
• 光遺傳/化學遺傳學結(jié)合電生理記錄

普瑞麥迪公司作為3Brain在中國區(qū)的授權(quán)代理商，提供從設備演示、實驗設計到數(shù)據(jù)分析的全流程技術(shù)支持。歡迎各位老師聯(lián)系預約Demo實驗，共同探索神經(jīng)環(huán)路與神經(jīng)免疫互作的未知疆域。

參考文獻：
Wu, J., Chen, X., Zhang, J., et al. (2026). Human microglia in brain assemblies display region-specific diversity and respond to hyperexcitable neurons carrying SCN2A mutation. Science Advances, 12(11), eady2977.