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新型三維神經接口實現類腦器官全覆蓋高分辨率電生理監測

類腦器官作為研究人類神經系統發育和疾病機制的重要平臺，具有傳統二維細胞培養所不具備的復雜三維神經元網絡結構。然而，現有神經接口技術在電生理信號采集和控制方面存在明顯局限，主要表現為對神經元群體的可及性有限、微電極密度不足，難以實現對類腦器官神經網絡活動的全面解析。這些技術短板嚴重制約了類腦器官在基礎研究和轉化醫學中的應用潛力。

美國西北大學John A. Rogers院士、Colin K. Franz教授和伊利諾伊大學芝加哥分校John D. Finan教授、清華大學張一慧教授合作報道了一種形狀匹配的柔軟三維介觀框架，通過對類腦器官實現近乎完整的表面覆蓋，構建了高通道數量的神經接口，為精準電生理分析和程序化電刺激提供了創新解決方案。該神經接口通過逆向建模技術設計，可圍繞類腦器官自組裝形成三維結構，實現對神經活動的三維重建和高分辨率空間電生理分析。多孔框架設計同時支持熒光成像、局部光遺傳調控、縱向監測、藥效評估和神經疾病表型建模，在人源皮層和脊髓類腦器官研究中展現出廣泛應用前景。相關論文以“Shape-conformal porous frameworks for full coverage of neural organoids and high-resolution electrophysiology”為題，發表在

Nature Biomedical Engineering

研究團隊提出的設計策略核心在于通過逆向計算實現目標三維幾何形狀的精確匹配（圖1a）。以球形類腦器官為例，研究人員將其表面離散化為相互連接的子表面，通過自適應遺傳算法優化梁結構的彎曲剛度分布，使其屈曲構型與目標曲面高度吻合（圖1b）。為解決全表面覆蓋與三維曲率匹配的矛盾，創新性地引入微晶格結構設計，通過調控三角形微孔的尺寸分布實現材料有效模量的空間變化。微計算機斷層掃描成像顯示，該結構對毫米級球形類腦器官的表面覆蓋率可達91%，集成了240個獨立尋址的微電極（直徑≤30微米），空間分辨率優于100微米（圖1c,d）。鉑黑涂層使微電極在1千赫茲頻率下的電化學阻抗降低至約10千歐姆，電荷注入容量達到約200微安，具備優異的長期穩定性（圖1e-g）。

圖1 | 近乎全表面覆蓋的三維形狀適形神經接口 a，代表性系統的示意圖。對微晶格幾何形狀的二維前驅體應用工程化機械屈曲方法，在逆計算模擬引導下形成所需的三維形狀。微晶格提供大面積以支持密集的微電極陣列，同時具有足夠的孔隙率允許自然代謝過程的擴散運輸。b，同時實現目標表面幾何形狀和匹配類腦器官的三維曲率的設計策略示意圖。c，接口的微CT圖像，該接口在類腦器官的球形表面提供91%的表面覆蓋率，帶有240個用于測量和/或刺激的獨立尋址電極。d，與插入并在三維微晶格框架內生長的類腦器官中細胞接口的微電極陣列的熒光圖像。e，在該框架內培養的類腦器官的示意圖和圖像（插圖），帶有用于神經記錄和刺激的外部連接電路。f，來自人源脊髓類腦器官和皮層類腦器官的神經尖峰波形集合。數據以每個簇內所有尖峰的平均值±標準差表示。比例尺，1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。g，本工作中的三維神經接口與其他類腦器官接口技術的比較，以表面覆蓋率和電極數量為函數繪制。數據點根據參考文獻12-21，46估計。

在人源誘導多能干細胞衍生的皮層類腦器官實驗中，該神經接口展現出高效的電生理記錄能力（圖2a-c）。免疫染色顯示分化60天后神經元、神經祖細胞和膠質細胞分布均勻，神經元間連接顯著形成。研究采用"原位生長"策略確保接口與類腦器官間的緊密接觸（圖2d），通過跟蹤類腦器官生長曲線確定合適的接口尺寸，避免插入過程中的機械壓迫（圖2e）。生長過程監測顯示數天內接口與類腦器官間的空隙逐漸填充，活性通道數量相應增加（圖2f）。240通道同步記錄數據顯示清晰的節律性神經活動模式（圖2g-i），其中強波后跟隨三個弱波的重復模式暗示了類腦器官水平的神經元連接特征。

圖2 | 神經類腦器官的整合和高密度記錄 a，分化第60天的人源皮層類腦器官免疫染色顯示均勻的細胞分布。b，組織的明場圖像，由神經元、星形膠質細胞和神經祖細胞組成。c，通過電生理學和鈣熒光同步記錄檢測到的人源皮層類腦器官神經活動。a.u.，任意單位。d，"原位生長"策略的示意圖，確保神經接口與類腦器官之間的緊密、溫和接觸。e，跟蹤人源皮層類腦器官的生長曲線以確定三維神經接口的目標尺寸。數據以六個不同人源皮層類腦器官的平均值±標準差表示。f，通過原位生長過程各階段的電生理記錄顯示活性通道數量增加。g-i，使用240個獨立通道的接口對人源皮層類腦器官進行高密度神經記錄。g，接口的八個組成梁的示意圖，每個梁標記有特定顏色。h，在240個電極位點測量的神經電位。i，記錄的神經活動的光柵圖揭示復雜的振蕩節律。

高分辨率空間電生理學依賴于三維界面上密集分布的電極陣列（圖3a）。計算表明，要實現90%以上的可探測表面覆蓋率，至少需要240個微電極。實驗驗證顯示，8個微電極（探測范圍3.4%）無法捕捉任何振蕩爆發事件，32個微電極（探測范圍13.6%）僅能檢測到局部同步事件，而240個微電極陣列（探測范圍92%）則完整揭示了跨類腦器官的節律性振蕩波（圖3b）。通過將記錄數據與電極空間位置關聯，研究實現了神經活動的三維表面重建，包括特定時刻的神經電位分布、平均尖峰幅度和平均放電頻率（圖3d-f）。相關性分析揭示了類腦器官內神經單元間的顯著相關性及其精細結構（圖3h,i），三維連接圖譜顯示相關神經單元分布于整個類腦器官而非局限于鄰近區域，反映出類似發育中人腦的復雜三維神經網絡組織。

圖3 | 三維空間電生理學 a，微電極數量與可探測表面覆蓋率的函數關系。插圖：示意圖描繪半徑為r的微電極的有效探測距離（d）。b，使用不同數量微電極記錄的人源皮層類腦器官（第90天）神經活動。對于所有電位圖，比例尺：100毫秒（水平）和50微伏（垂直）；對于波形圖，比例尺：1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。c，根據三維電極位置映射神經信號的示意圖。d-f，三維表面映射顯示神經電位（d），平均尖峰幅度（e）和平均放電頻率（f）。g，特定位置記錄（左）：圖（右）顯示一個同步波內的電位和典型的單單元尖峰波形。對于電位圖，比例尺：100毫秒（水平）和50微伏（垂直）；對于波形圖，比例尺：1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。h，人源皮層類腦器官389個記錄神經單元間的相關性分析。i，一個示例神經單元的相關單元的三維連接圖（左），以及來自（h）中同一個人源皮層類腦器官所有通道間的強相關性（右）。j，電刺激和同步鈣熒光成像的示意圖。k，熒光圖像的亮度分析顯示無刺激、60秒間隔刺激、30秒間隔刺激和刺激后的人源皮層類腦器官神經活動。l，基線熒光成像和亮度差異圖，刺激分別來自單個微電極、一個梁的所有微電極、兩個梁的所有微電極。實驗在三個獨立的人源皮層類腦器官中重復得到相似結果。a.u.，任意單位。

該技術在設計上具有多維度可調性（圖4）。通過減小微孔尺寸可在保持二維幾何形狀和剛度分布的同時增加微電極數量，最高可達1800個微電極，空間分辨率達40微米（圖4a,b）。平均孔隙率可在高達70%的范圍內調整（圖4c），表面覆蓋率可在53%至91%之間變化，實現微電極陣列在感興趣區域的集中分布（圖4d）。該策略還支持非球形形狀的設計，如六棱柱、立方體、橢球體、棱錐體甚至不對稱幾何形狀（圖4e），培養后的類腦器官可呈現相應的工程化形狀（圖4f,g），為神經生物力學研究和精準構建模塊化組裝提供了新工具。

圖4 | 三維結構設計和具有工程化三維形狀的類腦器官生長的多功能性 a，計算引導的微晶格布局細化過程的示意圖，以最大化微電極密度，同時保持所需的二維幾何形狀和剛度分布。b-d，空間分辨率的實際可達到水平作為電極數量的函數（b），孔隙率作為電極數量的函數（c），以及表面覆蓋率作為電極數量的函數（d），基于有限元分析結果。e，微CT成像顯示六棱柱、立方體、橢球體和棱錐體形狀的三維接口。f，具有工程化六棱柱、立方體和橢球體形狀的人源皮層類腦器官的明場圖像。g，具有球形、六棱柱和立方體幾何形狀的人源皮層類腦器官的底視圖熒光圖像。比例尺，1毫米。

該技術的應用潛力在多項實驗中得到了驗證（圖5）。縱向監測顯示大部分單單元尖峰波形在20天內保持穩定（圖5a）。藥理學實驗中，鉀通道阻斷劑4-氨基吡啶使平均放電頻率從0.28±0.06赫茲增加至1.2±0.2赫茲，而鈉通道阻斷劑利多卡因和河豚毒素則幾乎完全消除自發活動（圖5b）。光遺傳調控實驗中，特定區域的激光照射可實現與光刺激鎖相的神經響應（圖5c-e）。肉毒毒素暴露消除了明顯的振蕩節律（圖5f,g），表明化學突觸連接顯著減少。谷氨酸毒性模型顯示，谷氨酸應用后24小時內放電頻率從0.19±0.06赫茲增至0.6±0.2赫茲，隨后數天內急劇下降至0.05±0.03赫茲（圖5h-j），與興奮性毒性引起的神經退行性變過程一致。

圖5 | 在類腦器官研究各領域的應用示范 a，神經類腦器官的縱向監測顯示插入后數天內單個神經單元的穩定追蹤。比例尺，1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。b，神經類腦器官對4-AP、利多卡因和河豚毒素暴露的響應，通過整合的三維接口的96個獨立通道記錄，以放電頻率熱圖顯示，突出這些藥物應用前后的活動變化。雙尾t檢驗表明平均放電頻率的變化具有統計學顯著性：4-AP **P=1.57×10??，利多卡因 **P=1.18×10??，河豚毒素 **P=2.01×10?3。c，位置可調的光纖激光器進行局部光遺傳刺激的示意圖。d，四個微電極局部照明的強度分布的蒙特卡洛模擬。e，暴露的微電極和幾個未暴露的鄰近微電極的響應的光柵圖，顯示僅前者出現相位鎖定的響應。f，肉毒毒素暴露消除神經遞質效果的示意圖。g，代表性通道在肉毒毒素暴露前后的響應光柵圖，顯示振蕩性同步神經活動的消除。h，谷氨酸暴露增強神經傳遞的示意圖。i，整合類腦器官在谷氨酸給藥前后的放電頻率熱圖，顯示極度的神經元興奮效應。j，整合的三維接口的96個獨立通道的縱向監測顯示谷氨酸暴露后5天內平均放電頻率先升高后降低。b和j中數據以平均值±標準誤表示。f和h示意圖由BioRender創建：Wu, M.（2025）https://BioRender.com/Swd9f21。

本研究提出的三維介觀電子學技術實現了對類腦器官的近乎完整表面覆蓋、高分辨率電生理測量和電刺激調控。非常規的材料架構和設計方法結合受限生長技術，構建了對復雜類腦器官表面具有空間連續性和低阻抗的界面，同時保持足夠的滲透性支持自然代謝過程的擴散運輸。計算引導的設計空間不僅容納了微電極數量、分布、分辨率、孔隙率和覆蓋范圍的廣泛選項，還能實現對成熟類腦器官形狀的工程化控制。數百個獨立尋址的微電極支持類腦器官網絡層面活動的單單元神經元記錄，以及直接用于空間電生理學的三維重建。在局部光遺傳激活、神經回路操縱和神經疾病表型發展等方面的應用示例，預示著該方法在神經發育、神經退行性疾病和神經疾病進展研究中的廣泛應用前景，也為類腦器官智能系統和其他類型及組合的類腦器官研究提供了新的可能性。