用 3D 高密度微电极阵列（3Brain HD-MEA）测量急性脑切片 / 球体 / 类器官的电生理活动 — 标准化操作协议
作者: Eleonora Pali, Giorgia Pellavio, Maria Conforti, Arvin A. Sarkissian, Berna Aliya, Giacomo Sciacca, ... Ivan Verduci, ..., Alessandro Maccione, Egidio D'Angelo, Lisa Mapelli | University of Pavia, Emory Brain Organoid Hub, 3Brain AG, Pfäffikon, Switzerland, University of Genoa, IRCCS Mondino Foundation
期刊: Bio-protocol 16(11): e5708, 2026 | DOI: 10.21769/BioProtoc.5708
接收: 2026-05-29 | 发表: 2026-06-05 | 同行评议级别 SOP（Bio-protocol 是实验方案可重复性记录期刊）
标签: #3Brain_HD-MEA #BioCAM_DupleX #CorePlate_3D #BrainWave_6 #脑切片 #脑球体 #脑类器官 #电生理 #SOP_protocol #Emory_Brain_Organoid_Hub
一句话总结
University of Pavia + Emory Brain Organoid Hub + 3Brain AG 联合发表 Bio-protocol SOP，详述如何用 3Brain BioCAM DupleX + CorePlate™ 3D 1W（4096 电极 HD-MEA）+ BrainWave 6 软件测量急性脑切片、皮层-海马脑片、小脑脑片、hiPSC 脑球体、脑类器官的电生理活动——致谢明确写 3Brain 提供 salary 给作者，是 3Brain 在神经电生理场景的同行评议级厂商背书。
一、做什么 🔬
研究背景
3Brain 的 3D HD-MEA（4096 个微针电极，64×64 网格）能在不破坏样本完整性的情况下记录全脑网络活动，但市面上缺少针对不同样本类型（急性脑切片 / 球体 / 类器官）的标准化操作协议。本文填补这个空白——提供从样本制备、切片恢复、MEA 上样、电生理记录、数据分析到 troubleshooting 的全流程 SOP（38 页 16 张 Figure）。
核心问题
- 问句1：急性脑切片（cortico-hippocampal / prefrontal / cerebellar）如何在 3D HD-MEA 上维持活性并记录网络活动？
- 问句2：hiPSC 来源脑球体 / 脑类器官如何在 MEA 上保持 3D 结构做长程记录？
- 问句3：不同样本类型（急性切片 vs 球体 vs 类器官）的 spike 检测 / sorting / burst 分析参数如何差异化设置？
- 问句4：常见失败模式（如气泡、silicone net 张力不对、温度漂移、信号漂移）如何 troubleshoot？
研究模型：
- 急性脑切片：cortico-hippocampal + prefrontal（PFC）+ 小脑 vermis
- 球体（spheroids）：hiPSC 来源，参考 Fikri Birey 2022 assembloid protocol
- 类器官：hiPSC 来源（与 Emory Brain Organoid Hub 关联）
技术路线（直接照搬 SOP 的 6 大段）：
- Background：3Brain HD-MEA 在不同神经样本类型的应用历史
- Materials：试剂（Sigma-Aldrich 品牌 + 货号齐全）+ 设备（Leica VT1200S vibroslicer + 3Brain 设备群）+ 软件（BrainWave 6 + IC Capture + NeuroPULSE）
- Procedure：A. Recovery beaker setup → B. Cutting bench setup → C. Brain extraction → D. Slice preparation → E. MEA 装载 → F. Live Experiment 启动 → G. Recording → H. End-of-experiment
- Data analysis：Brain slices / Brain spheroids / Brain organoids 三套独立分析流
- Troubleshooting：常见 8-10 类问题诊断 + 修复
- General notes：样本特异性参数差异
二、关键节点（替代"发现什么"段 — Bio-protocol SOP 偏重）
节点1：Recovery beaker + Krebs 溶液准备（Figure 1）
图1：Recovery beaker（250 mL Pyrex）+ 切割台 + 气体入口。Critical：避免 net fabric 下方大气泡（影响切片灌注）+ Krebs 溶液要 3/4 满 + 持续 95% O2/5% CO2 鼓泡。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 250 mL Pyrex beaker + cut syringe + 环形 acrylic plate（net fabric）+ 220 mL Krebs 溶液 + 95% O2/5% CO2 |
| 发现什么 | Critical：net fabric 不能用胶水固定（小块 plexiglass 环卡住，胶水对切片有毒性）；Krebs 必须 3/4 满确保灌注；切忌 net 下方气泡 |
| 说明什么 | 急性脑切片活性的第一步——recovery beaker 设计决定 30-60 min 内切片活性保持（>70% 神经元的 mEPSC 完整性） |
节点2：脑切片制备——以小脑 vermis 为例（Figure 2-4）
图2：小脑 vermis 分离的 6 个切割步骤（A-F）。Leica VT1200S vibroslicer 切 300 μm 厚切片，4°C Krebs 中保存。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 解剖分离小脑 vermis → Leica VT1200S 振动切片（300 μm 厚）→ 4°C Krebs 保存 |
| 发现什么 | 振动切片速度 0.1-0.2 mm/s，振幅 1-1.5 mm；cortico-hippocampal 切片角度 15-20° 倾斜（保留 CA3-DG 通路）；PFC 冠状切 250 μm |
| 说明什么 | 切片角度和厚度是网络活动记录质量的第一决定因素——本文给出三种脑区的最优参数表 |
节点3：3Brain 3D HD-MEA 装载（Figure 5）
图3：3Brain Sample Holder 2（Frame + Insert + Silicone Net）+ CorePlate™ 3D 1W 38-60-90 装载。注意 silicone net 张力（500/750/1000/1250 μN 四档可选）+ 装载后加入预温 37°C medium。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 3Brain Sample Holder 2 Frame 装载 CorePlate™ 3D 1W 38-60-90 → silicone net 张力设置 → brain slice / spheroid / organoid 转移到 net 上 → 加 1 mL pre-warmed medium |
| 发现什么 | silicone net 张力是关键参数：500 μN 适合轻量球体，1000 μN 适合脑切片，1250 μN 适合大型类器官；温度 32-34°C（脑切片）或 37°C（球体/类器官） |
| 说明什么 | 3Brain Sample Holder 2 是平台核心配件——决定样本位置稳定性和电接触质量 |
节点4：BrainWave 6 实时记录（Figure 6-7）
图4：BrainWave 6 Live Experiment 启动流程。Digital microscope 监控 CorePlate 表面 + 温度控制（37°C）+ Live Trace 实时显示 4096 通道信号。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | BrainWave 6 → Start Screen → Experiment Tags → Live Experiment → 设温度 → 选 MEA 区域 → 开始记录 |
| 发现什么 | Default parameters 已经为 3D 神经培养外记录优化（BrainWave 6 内置 protocol）；建议先用 5 min baseline 再加药；记录时长 10-30 min |
| 说明什么 | BrainWave 6 是 3Brain 软件生态核心——单平台统一处理切片 / 球体 / 类器官 |
节点5：Spike Detection + Spike Sorting（Figure 8-9）
图5：BrainWave 6 内置的 PTSD / Hard Threshold spike detection + PCA/K-Means spike sorting。cortico-hippocampal / PFC 用 PTSD algorithm（SD factor = 8，negative spike），小脑用 Hard Threshold（-100 μV）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | High-pass filter 100 Hz → Spike Detection（不同样本算法不同）→ Spike Sorting（PCA + K-Means + Gap Statistics，max 3 clusters） |
| 发现什么 | PTSD vs Hard Threshold 选择：PTSD 基于 noise SD，适合低发放样本（如 PFC）；Hard Threshold 适合高 tonic 发放（如小脑）。Min spike count = MFR × T |
| 说明什么 | 算法选择是数据质量的决定因素——选错算法会丢失 spike 或丢弃 active channels |
节点6：网络 burst 检测 + Functional Connectivity（Figure 10-12）
图6：Firing Based burst detection + Cross-correlation / STTC 功能连通性。NeuroPULSE (zenodo.18196676) 处理小脑自发 / 诱发活动。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | Firing Based algorithm → network burst detection → Cross-correlation 或 Spike Time Tiling Coefficient (STTC) 功能连通性 |
| 发现什么 | 小脑加 NeuroPULSE 额外模块处理 evoked / spontaneous 活动；STTC 是无方向同步性指标（适合类器官网络分析） |
| 说明什么 | 连通性分析是 3D 类器官网络活动的核心读出——单细胞 spike 速率不够，需看网络拓扑 |
节点7：球体 / 类器官特异性分析（Figure 13-14）
图7：球体/类器官在 CorePlate 3D 上的活动特征。3D 结构保留 + 长程记录（>30 min）+ 网络连通性 + 区域 ROI 分析。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 球体/类器官转移到 CorePlate 3D → long-term recording（30 min - 2 h）→ Activity Groups 划分 ROI → 连通性矩阵 |
| 发现什么 | 球体典型 MFR 0.5-5 Hz；类器官网络 burst 频率 0.1-0.5 Hz；3D MEA 捕获全网络同步发放，是 2D MEA（<256 电极）做不到的 |
| 说明什么 | 3Brain 3D HD-MEA = 类器官电生理的金标准——同时获得单细胞 + 网络 + 3D 空间信息 |
节点8：Expected Outcomes + Troubleshooting（Figure 15-16）
图8：典型成功结果 + 8-10 类常见失败模式诊断（气泡 / silicone net 张力 / 温度漂移 / 信号漂移 / 切片活性差 / MFR 异常等）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 列出 expected outcome（healthy slice: MFR 1-10 Hz, burst rate 0.5-2 Hz, network connectivity 显著）+ troubleshooting 表 |
| 发现什么 | 8-10 类常见问题 + 修复方法：net 下方气泡（用 Pasteur 移除）+ 温度漂移（检查 BrainWave 6 温控）+ spike 检测失败（换算法）+ 高 noise（检查接地） |
| 说明什么 | SOP 完整性 + 可重复性——读者按本文 protocol 应能 100% 复现 |
三、说明什么 💡
领域意义
Bio-protocol 是实验方案可重复性记录期刊（与 STAR Protocols 同级别）。本文的特殊性：
- 3Brain AG 5 名员工作者 + 1 名股东做共同作者（完全披露）
- Emory Brain Organoid Hub 联合（Fikri Birey 是 assembloid 大牛）
- 致谢明确写 3Brain 提供 salary —— 这是同行评议级别的厂商背书
对类器官 + 电生理领域：3Brain 3D HD-MEA（4096 电极，64×64 grid）配合 CorePlate™ 3D 1W 38-60-90 是当前唯一能同时获得单细胞 + 网络 + 3D 空间信息的商用平台。
临床转化价值
- 类器官质控 SOP：CDMO 和学术机构做类器官电生理 QC 的金标准协议
- 药物筛选：MEA 是 96/384 孔板唯一可行的高通量电生理读出，3Brain 是该细分赛道 No.1
- 疾病模型：PD / AD / ASD / ALS 类器官电生理异常的标准化测量（参考 Raji 2026 Mol Psychiatry 用 3Brain 测 hMO）
- 替代动物模型：类器官 + HD-MEA 替代部分啮齿类切片实验，符合 3R 原则
Limitations（作者自承 + 读者补充）
- 设备依赖 3Brain 全套：BioCAM DupleX + CorePlate + Sample Holder 2 + BrainWave 6 全套 ≈ $200K+ 投入
- 3Brain 内部人员参与：本文 protocol 可能在通用场景需要适配（如 MaxWell Biosystems 用户的转换）
- 3D 类器官光学监控有限：HD-MEA 不带透明电极，光学相关性需要另配系统
- 急性切片 vs 类器官参数不同：SOP 给出 3 套独立参数，但跨实验室标准化还需进一步
与我们的产品 🔬
本文实测命中 + 致谢直接引用（不是硬凑 —— Materials + Acknowledgments 段直接出现品牌名）：
| 产品 | 关联度 | 应用场景（按本文 SOP 证据） |
|---|---|---|
| 3Brain BioCAM DupleX | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文 Equipment #16 直接列出："BioCAM (3Brain, DupleX)"——3Brain 主力电生理采集平台，支持 4096 电极 HD-MEA。客户场景：(1) 神经类器官质控；(2) 急性脑片网络活动；(3) hiPSC 球体长程记录；(4) 药物神经毒理筛选 |
| 3Brain 3D HD-MEA CorePlate™ 3D 1W（38-60-90） | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文 Equipment #17 直接列出："3D HD-MEA (3Brain, CorePlate™ 3D 1W 38-60-90)"——4096 个微针电极，90 μm 高度，64×64 网格。核心卖点：唯一能同时获得类器官单细胞 + 网络 + 3D 空间电生理的商用平台 |
| 3Brain Sample Holder 2 全套（Frame + Insert + Silicone Net + Handling tool） | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文 Equipment #18-21 直接列出全套，**silicone net 4 档张力（500/750/1000/1250 μN）**对应不同样本类型。客户场景：脑片 1000 μN，球体 500 μN，大型类器官 1250 μN |
| 3Brain BrainWave 6 软件 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文 Software #1 直接列出 + Procedure 段 80+ 处引用——3Brain 软件生态核心，统一处理切片/球体/类器官 spike detection / sorting / burst / 连通性 |
致谢直接引用 —— 同行评议级厂商背书：
- "你看到 Bio-protocol 2026 这篇 Pali et al. 的 Materials 段吗？3Brain 的 5 款核心设备 + BrainWave 6 软件全部出现在 Equipment 清单里（第 16-21 行），致谢明确写 3Brain AG provided support for this study in the form of salaries to M.T., G.S., C.R.B., M.G., K.I., and A.M."
- "5 名 3Brain 员工作者 + 1 名股东 Maccione 当共同作者 + 完整利益冲突披露 —— 这是 SOP 期刊最高规格的厂商合作"
- "对客户的最强卖点：按本文 SOP 100% 可重复，全套设备清单 + 货号 + 关键参数（温度/张力/算法）都给齐了 —— Robin 客户买 3Brain = 买同行评议验证过的实验方案"
参考文献
- Pali E, Pellavio G, Conforti M, Sarkissian AA, Aliya B, ... Mapelli L, Maccione A. Measuring Electrophysiological Activity in Acute Brain Slices, Spheroids, and Organoids Using 3D High-Density Multielectrode Arrays. Bio-protocol. 2026;16(11):e5708. DOI: 10.21769/BioProtoc.5708
- Birey F, Andersen J, Makinson CD, Islam S, Wei W, Huber N, ... Paşca SP. Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids. Nature. 2022;610:120-128. DOI: 10.1038/s41586-022-05279-w
- Maccione A, Gandolfo M, Zordan S, Grassia F, Tedesco M, Martinoia S. Interfacing 3D HD-MEA with Brain Slices and Brain Spheroids. Adv Neurobiol. 2019;22:135-157. DOI: 10.1007/978-3-030-11135-9_6
- Mapelli L, Giansante V, Mazzoni A, Bardoni A, D'Angelo E. Balanced synaptic input and firing rate control in cerebellar granule cells. J Neurosci. 2015;35:2516-2530.
- Bio-protocol journal scope and editorial standards. DOI: see journal homepage. This protocol was used in Pali et al. 2026 ref 28.
转发语
Bio-protocol 重磅 SOP！ University of Pavia + Emory Brain Organoid Hub + 3Brain AG 联合发布完整 3Brain HD-MEA SOP：急性脑切片 / hiPSC 脑球体 / 脑类器官全流程电生理测量协议——Materials 段列出 5 款 3Brain 核心设备 + BrainWave 6, 在神经电生理场景的同行评议级厂商背书 🧠⚡
联系人：李东伟
📞 18045130660 🌐 https://www.biokingdom.top
📥 下载原文 SOP PDF：Pali 2026 Bio-protocol e5708 PDF（38 页，40.2 MB）