腦類器官（如中腦、皮質類器官）及組裝體（多腦區類器官融合）是模擬人腦發育與疾病的關鍵體外模型，但傳統電生理技術（如低密度MEA、膜片鉗）存在時空分辨率低、覆蓋范圍小的局限，無法全面解析從單細胞到網絡層面的神經活動。本研究開發基于超高密度（UHD）CMOS微電極陣列（含236,880個電極，sensing面積32.45 mm2）的場電位成像（FPI）技術，實現腦類器官神經活動的大尺度、單細胞分辨率記錄，從傳播動力學、頻率特征、區域間連接等維度建立新分析端點，為神經疾病建模與藥物篩選提供高精準工具。

核心內容如下：

（1）研究方法

類器官構建：用健康人iPSC（201B7株）誘導3類模型——中腦類器官（STEMdiff?試劑盒）、皮質類器官（STEMdiff?cerebral試劑盒）、中腦-紋狀體組裝體（中腦+紋狀體類器官共培養），培養4-5個月用于實驗。

功能檢測：UHD-CMOS MEA記錄神經活動（采樣率2/10 kHz），結合免疫熒光（MAP2/TH標記神經元）；藥物處理（L-DOPA、荷包牡丹堿、MK-801、4-氨基吡啶）評估反應；分析單細胞spike、網絡連接（Z-score）、傳播速度/面積、頻率帶（δ/θ/α/β/γ）分布。

（2）關鍵結果

中腦類器官的藥物響應：L-DOPA（多巴胺前體）呈劑量依賴性增強活性——30μM時59.7%細胞spike增加（0.3μM僅19.3%），網絡連接強度提升（每細胞連接數從333.2增至382.7），且檢測到抑制性反應（低劑量D2受體激活）。

皮質類器官傳播動力學：GABA_A拮抗劑荷包牡丹堿使傳播速度升高22%（基線0.0166→0.0202 mm2/ms）；NMDA拮抗劑MK-801使傳播面積減少55%（0.851→0.384 mm2），僅局部區域活性升高。

頻率特征區域差異：皮質類器官δ/θ/α/β帶活性從邊緣向中心增強，γ帶呈“上強下弱”獨特分布，聚類分析劃分9個頻率特異性區域。

組裝體區域間連接：4-氨基吡啶（鉀通道阻滯劑）使中腦-紋狀體組裝體的區域內連接強度翻倍（紋狀體0.036→0.095，中腦0.181→0.377），區域間連接增強107%（0.0305→0.0632）。

實驗結果

圖1：中腦類器官的單細胞spike分析

該圖驗證中腦類器官的細胞類型與藥物響應：（A）免疫熒光：4月齡類器官表達神經元marker MAP2（綠）和多巴胺能神經元marker TH（紅）；（B）類器官置于UHD-CMOS MEA的sensing區；（C）raster圖與直方圖：記錄到全網絡爆發活動；（D）spike空間分布：紅色為活性增加（≥150%）細胞，藍色為降低（≤50%）；（E）定量：L-DOPA濃度越高，活性增加細胞比例越高。圖示明確中腦類器官對L-DOPA的劑量依賴性反應。

圖2：中腦類器官的網絡連接分析

該圖評估L-DOPA對網絡的影響：（A）連接圖：黑線為基線Z-score≥3的細胞對，藍線為藥物處理后新增連接；（B-C）熱圖與分布：L-DOPA使Z-score整體右移；（D）定量：3μM和30μM L-DOPA顯著增加每細胞連接數。圖示證實藥物增強網絡同步性。

圖3：皮質類器官的傳播動力學分析

該圖解析傳播速度與面積：（A-B）傳播波形與峰值延遲圖：荷包牡丹堿處理后峰值傳播更快速；（C）定量：荷包牡丹堿使傳播速度顯著升高；（D-E）傳播電極圖與面積：MK-801使大部分區域傳播消失，僅局部保留，整體面積減少。圖示建立傳播動力學作為藥物響應新端點。

圖4：皮質類器官的頻率特征分析

該圖展示頻率帶空間差異：（A）波形濾波：原始信號分解為5個頻率帶；（B）強度熱圖：δ/θ/α/β帶中心強、邊緣弱，γ帶“上強下弱”；（C-D）聚類與熱圖：劃分9個區域，部分區域γ帶活性顯著偏低。圖示揭示類器官頻率特征的區域特異性。

圖5：中腦-紋狀體組裝體的區域間連接分析

該圖評估組裝體的跨區域活性：（A）峰值電位圖：上部紋狀體、下部中腦均有活性；（B）raster圖：4-AP處理后spike增多；（C-D）定量：4-AP使區域內（紋狀體/中腦）和區域間連接強度均顯著升高。圖示證實藥物增強組裝體的跨區域通信。

全文總結

本研究的核心價值在于開發UHD-CMOS MEA技術，實現腦類器官神經活動的“單細胞分辨率+全器官覆蓋”記錄，建立3個創新分析維度：傳播速度/面積（量化網絡擴散）、區域特異性頻率特征（解析功能分區）、組裝體跨區域連接（模擬腦區互作）。該技術成功捕捉中腦類器官對L-DOPA的雙向響應、皮質類器官對神經遞質拮抗劑的動力學變化，為帕金森病、癲癇等疾病建模提供精準工具。