MEA是利用陣列排布的電極對神經(jīng)元或其它放電細胞進行胞外電信號記錄的方法。相對于膜片鉗，MEA的優(yōu)點是操作簡單，能夠同時記錄大量細胞，并且支持對細胞的長期檢測。

傳統(tǒng)MEA電極數(shù)一般小于300個，電極密度很低，這在很大程度上限制了MEA這一電生理技術(shù)的優(yōu)勢。原屬于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學的MaxWell團隊開發(fā)了基于CMOS（互補金屬氧化物半導體）的高密度MEA，在電極密度上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍——在2×4mm2 范圍內(nèi)集成多達26400個電極, 兩個電極的間距僅17.4um,幾乎跟單個細胞的大小一樣，可對離體組織進行高分辨率的功能檢測，并提供亞細胞，單細胞，神經(jīng)環(huán)路，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等水平上的豐富信息。

高密度MEA的主要技術(shù)特點

1. 可檢測樣品中每一個細胞，并得到每一個細胞各自的信號以及空間位置信息

上圖可以看到高密度MEA與低密度MEA的對比，低密度MEA中相當大部分的細胞（紅色框內(nèi)）是無法被記錄到的，另一個問題是通常一個電極會記錄多個神經(jīng)元，要將這些神經(jīng)元各地的信號分選出來，只能利用特征值進行sorting，十分耗時耗力。

而在高密度MEA中，一方面，不存在檢測盲區(qū)，因此可以檢測到樣品中幾乎所有細胞的活動，相比通過膜片鉗或者低密度MEA進行的抽樣分析，數(shù)據(jù)在統(tǒng)計學上的可靠性大大增加。

左圖為熒光成像顯示的細胞位置，右圖為同一樣本利用高密度MEA檢測到的細胞放電圖，（紅=高頻，藍=低頻），兩者顯示出非常高的位置重疊性。

另一方， 由于高密度MEA中任何單個細胞的信號都被周圍數(shù)個電極所記錄，因此其數(shù)據(jù)既包含放電的時間信息，也包含空間信息，因此適合于采用kilosort等新的sorting方法更快速地完成細胞分選。

2. 可進行network的研究

神經(jīng)細胞、心肌細胞都是需要形成細胞網(wǎng)絡(luò)然后一起完成某種功能，大量細胞呈現(xiàn)出的network情況也可以反應細胞的成熟度，并與很多疾病密切相關(guān)。

上圖每一行代表一個細胞，每一個點為一個spike，可清晰看到細胞網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)規(guī)律性的Burst放電。

3. 可進行circuit水平的研究

通過傳統(tǒng)膜片鉗方法研究幾個神經(jīng)元間的連接環(huán)路時，通常需要利用多Patch鉗制每個細胞，技術(shù)要求高，也十分耗時耗力，并且只能看到這幾個細胞間的連接，效率比較低下。

高密度MEA在sorting得到的每一個神經(jīng)元的spike信息的基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)分析每兩個神經(jīng)元間spike的相關(guān)性（興奮性：正相關(guān)，抑制性：負相關(guān)），可輕松判斷這兩個神經(jīng)元之間是否存在興奮性或抑制性連接，以此高效地分析整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)環(huán)路。

上圖顯示經(jīng)過分析得到的興奮性連接（紅色）和抑制性連接（藍色）

4. 可進行亞細胞水平的觀測

借助高密度MEA超小的電極尺寸，我們甚至可以捕捉并記錄到單個細胞不同部位的放電時間和幅度，由此可以在不加任何生化標記物的情況下分析電信號產(chǎn)生的位置，軸突的位置、長度、范圍等信息，也可測量電信號在軸突上傳播的速度等指標，而這些指標通常難以測量，這一技術(shù)被稱之為Axon Tracking。

5. 可在單細胞或亞細胞水平上精準刺激

高密度MEA的每一個電極都可以給出電壓、電流刺激，形成細胞間的雙向信息交流。由于具有足夠高的電極密度，可以在亞細胞水平上給出刺激，幫助找到合適的刺激位點，實現(xiàn)以很小的電流或電壓強度精確刺激單個細胞或者細胞的胞體、突觸等亞細胞結(jié)構(gòu)。

高密度MEA的應用方向

高密度MEA可應用于多種生物樣本：

1. 培養(yǎng)細胞

a-培養(yǎng)神經(jīng)元

b-iPSC誘導神經(jīng)元

c-培養(yǎng)心肌細胞等

2. 3D組織

a-急性或培養(yǎng)腦片

b-視網(wǎng)膜

c-Organoid類器官等

01.iPSC誘導神經(jīng)元上的研究

上圖顯示iPS誘導的多巴胺能神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成，以及疾病模型細胞與對照組細胞形成burst的差異。綠色為對照組，紅色為疾病模型組，藍色框內(nèi)為Astrocyte共培養(yǎng)。

上圖顯示利用電信號檢測獲得的細胞突觸的發(fā)育過程。

上圖顯示疾病模型iPS誘導神經(jīng)元在DIV25天時軸突傳播速度明顯小于對照組正常細胞。

02.Organoid類器官的研究

上圖顯示人源iPSC誘導的大腦類器官在高密度MEA上記錄到的信號。

03.腦片上的研究

上圖顯示海馬腦片上誘導癲癇發(fā)作時的單細胞放電與場電位擴布情況。

04視網(wǎng)膜研究

上圖顯示視網(wǎng)膜上記錄的電信號，以及利用這些信號篩選出的對不同方向光刺激響應的細胞。

小 結(jié)

高密度MEA同時具有高通量和高精度的特點，適合于多種生物樣本，提供了從亞細胞水平到細胞網(wǎng)絡(luò)水平的豐富多樣的檢測指標，可廣泛應用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)研究、藥物篩選、iPS誘導神經(jīng)元檢測、疾病機制研究等多種實驗當中。

標簽：腦科學