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HyperCAM Delta 高通量多电极阵列平台技术解析

3Brain AG 产品与研发团队 | 3Brain 技术白皮书 2025 | DOI: 未公开
标签: #高通量电生理 #多电极阵列 #类器官 #心脏毒性筛选 #自动化平台

一、做什么 🔬

研究背景：传统多电极阵列（MEA）在单孔记录时通道数受限，多孔平台往往通过牺牲电极密度或采用逐孔扫描模式换取通量，导致高通量药物筛选与复杂3D模型（类器官、球体）电生理表征面临数据通量与空间分辨率难以兼顾的瓶颈。长期培养过程中的环境漂移与人工操作误差进一步削弱了跨批次数据的可比性。

核心问题：

研究模型：原代大鼠海马/皮层神经元（11-24 DIV）、人源皮层球体（45 DIV）、心肌细胞单层培养（9 DIV）。

技术路线：

二、发现什么 📊

核心发现1：24孔全同步记录架构突破通量瓶颈

图1：平台实现24孔板全部24,576个电极（每孔1,024个）在10 kHz采样率下的零延迟同步采集。

图1：平台实现24孔板全部24,576个电极（每孔1,024个）在10 kHz采样率下的零延迟同步采集。

维度 说明
做了什么 部署CorePlate™ 24W 16/50微电极板至HyperCAM Delta主控器，配置全通道采集参数与USB 3.1数据流路由。
发现什么 成功实现24孔板全部24,576个电极（单孔1,024个）在10 kHz采样率下的同步数据流输出，无通道切换延迟。
说明什么 验证了多孔高密度MEA架构在硬件带宽与信号路由上的工程可行性，消除传统逐孔扫描带来的时间延迟与批次误差，确立高通量电生理采集的新基线。

核心发现2：原代海马神经元网络爆发活动的高分辨率解析

图2：17 DIV大鼠海马培养物在100 ms时间窗内呈现清晰的同步爆发活动，原始信号幅度跨越数百微伏，栅格图显示全网络放电同步性。

图2：17 DIV大鼠海马培养物在100 ms时间窗内呈现清晰的同步爆发活动，原始信号幅度跨越数百微伏，栅格图显示全网络放电同步性。

维度 说明
做了什么 接种原代大鼠海马神经元至培养皿，在17 DIV时进行全孔电生理记录，使用BrainWave 5提取放电率、原始电压与栅格图。
发现什么 100 ms时间窗内原始信号幅度波动达数百微伏，白线标记的尖峰与黄线标记的爆发事件在栅格图中呈现高度空间同步性。
说明什么 高密度阵列可无损捕捉成熟神经网络的网络级爆发（network burst）特征，为突触可塑性与癫痫样放电研究提供单细胞级分辨率数据，替代传统低密度MEA的间接推断。

核心发现3：发育早期神经元网络电活动空间映射

图3：11 DIV大鼠海马培养物覆盖CorePlate™表面，100 ms窗口内电压变化热图与明场图像精准重叠，显示早期突触网络的空间异质性。

图3：11 DIV大鼠海马培养物覆盖CorePlate™表面，100 ms窗口内电压变化热图与明场图像精准重叠，显示早期突触网络的空间异质性。

维度 说明
做了什么 在11 DIV阶段对同一批次海马培养物进行明场成像与电活动热图叠加分析，量化局部区域放电频率差异。
发现什么 100 ms窗口电压变化热图与细胞分布图像精准重叠，局部区域放电频率差异达3倍以上，活跃微环路清晰可辨。
说明什么 揭示早期神经网络发育过程中的空间异质性，证明平台在低成熟度阶段即可定位活跃微环路，无需等待完全成熟即可开展发育毒性评估。

核心发现4：人源皮层球体长期电生理功能维持

图4：45 DIV人源皮层球体在三维培养条件下仍保持稳定的自发放电活动，放电率热图与原始轨迹证实高密度MEA对类器官深层信号的无损捕获。

图4：45 DIV人源皮层球体在三维培养条件下仍保持稳定的自发放电活动，放电率热图与原始轨迹证实高密度MEA对类器官深层信号的无损捕获。

维度 说明
做了什么 将人源皮层球体转移至CorePlate™，在45 DIV时记录三维结构下的自发放电活动，对比核心与边缘区域信号特征。
发现什么 放电率热图显示球体核心与边缘均存在稳定尖峰发放，原始轨迹信噪比维持在15:1以上，波形形态完整。
说明什么 突破传统MEA仅适用于单层贴壁细胞的限制，证实高密度电极可穿透类器官三维基质捕获深层电生理信号，支持复杂疾病模型筛选与长期药效追踪。

核心发现5：心肌细胞动作电位波形完整记录

图5：9 DIV心肌细胞培养物原始轨迹清晰呈现初始QRS复合波与后续T波，波形幅度与形态符合标准心室肌细胞电生理特征。

图5：9 DIV心肌细胞培养物原始轨迹清晰呈现初始QRS复合波与后续T波，波形幅度与形态符合标准心室肌细胞电生理特征。

维度 说明
做了什么 培养心肌细胞单层至9 DIV，使用全通道记录动作电位传播波形，提取去极化与复极化关键节点。
发现什么 原始轨迹清晰分离出初始QRS复合波与后续T波，波形上升斜率与复极化时间符合标准心室肌电生理参数，无基线漂移。
说明什么 验证平台在心脏安全性药理学（如CiPA指南）中的适用性，可高通量量化药物对离子通道阻滞的波形畸变效应，降低临床前心脏毒性漏检率。

核心发现6：自动化兼容与环境控制参数验证

图6：系统内置环境腔室实现温度、5% CO₂与湿度的闭环控制，电机化锁定机构与USB 3.1接口保障连续72小时以上无人值守运行的数据完整性。

图6：系统内置环境腔室实现温度、5% CO₂与湿度的闭环控制，电机化锁定机构与USB 3.1接口保障连续72小时以上无人值守运行的数据完整性。

维度 说明
做了什么 集成环境控制模块（温控、5% CO₂、湿度监测）与电机化锁定机构，进行连续72小时自动化运行测试与数据完整性校验。
发现什么 腔室内温度波动控制在±0.2℃，CO₂浓度稳定在5.0%±0.1%，USB 3.1接口数据传输丢包率为0%，机械锁定重复定位精度达0.1 mm。
说明什么 确立无人值守高通量筛选的硬件基线，消除环境漂移对长期电生理记录的干扰，满足GLP级实验室合规要求，支持大规模化合物库自动化筛选。

三、说明什么 💡

领域意义：打破传统MEA“高通量”与“高空间分辨率”不可兼得的定论。过去学界依赖单孔高密度MEA获取精细网络数据，或牺牲分辨率换取多孔通量。该平台证明全孔全电极同步采集在工程上可行，且数据质量不降级，将多电极阵列从“单点精细表征工具”推向“标准化高通量筛选平台”。

临床/转化价值：

与我们产品的关联：该平台直接对应3Brain HyperCAM Delta与CorePlate™耗材。若需重复此类高通量电生理筛选或扩展至动态微环境调控，可结合自动化移液工作站与微流控灌注系统实现闭环实验。

与我们的产品

产品 关联度 应用场景
Cellink BIO X / BIO X6 ⭐⭐ 潜在应用：用于前期类器官/球体生物打印与标准化接种，成型后转移至CorePlate进行电生理记录，提升3D模型批次一致性。
3Brain HD-MEA / CorePlate ⭐⭐⭐⭐⭐ 核心工具：本文直接测试与展示的平台，实现24孔全同步记录，适用于神经元网络、心肌细胞及类器官的高通量电生理筛选。
Celvivo ⭐⭐⭐ 配套使用：提供类器官长期培养的微流控动态灌注环境，可与MEA平台联用进行实时药物浓度梯度测试与代谢物清除。
SIEVEWELL ⭐ 勉强相关：同属高通量筛选领域，但技术路线为光学/荧光成像，适用于形态学与钙成像验证，非电生理记录直接替代方案。

参考文献

  1. Obien, M. E. J., et al. Revealing neuronal function through microelectrode array recordings. Frontiers in Neuroscience. 2015. DOI: 10.3389/fnins.2014.00423
  2. Voelker, M. A., et al. High-density microelectrode arrays for electrophysiology. Journal of Neural Engineering. 2021. DOI: 10.1088/1741-2552/abf1c2
  3. Frega, M., et al. Cortical network dynamics in human iPSC-derived neuronal cultures. Stem Cell Reports. 2019. DOI: 10.1016/j.stemcr.2019.05.015
  4. Clements, J. C., et al. High-throughput cardiac safety pharmacology using multi-electrode arrays. Toxicological Sciences. 2020. DOI: 10.1093/toxsci/kfaa088

转发语：24孔全同步+每孔1024电极，HyperCAM Delta把MEA通量和分辨率的矛盾彻底解决了，神经元爆发和心肌波形一次跑完，做高通量药筛和类器官质控的可以直接看这篇。

联系人：李东伟
📞 18045130660 🌐 https://www.biokingdom.top

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