应用笔记：CorePlate™ 1W-3D 38/60/90 检测经荷包牡丹碱处理的脑组装体的分区分析
最后更新：2026年3月24日
摘要
人脑组装体为模拟人脑复杂的区域间通讯提供了机会，然而捕捉这些组装体的广泛功能仍然是一个挑战。在本应用笔记中，我们展示了 CorePlate™ 3D 如何实现对组装体的高分辨率功能分析。CorePlate™ 3D 是一种高密度微电极阵列（HD-MEA），具有数千个穿透式微电极，与标准平面 2D 阵列相比，可提供更优越的信号采集能力。
我们监测了组装体对荷包牡丹碱（Bic）的反应活动，并观察到了预期的神经元活动增加。利用 BrainWave 6 的全新分区分析功能，我们展示了研究人员如何将组装体精确分割为不同的功能区域，以量化和可视化这些局部活动模式。CorePlate™ 3D 和 BrainWave 6 共同为研究具有区域依赖性活动的先进 3D 体外模型（如组装体）提供了理想平台。
引言
由相同或不同区域类器官融合形成的人源脑组装体的出现，代表了在体外建模复杂类器官间和区域间连通性以及神经回路动力学的重大飞跃。然而，传统的平面微电极阵列（MEA）及相关分析软件仅依赖表面记录，往往无法捕捉大型 3D 体外结构不同区域活动的全部复杂性。
为克服这些局限性，3Brain 开发了 CorePlate™ 3D，这是一种高密度微电极阵列（HD-MEA），具有 4,096 个 3D 电极。这些电极穿透 3D 培养物内部，提供前所未有的信号质量，并能够获取球体、类器官、组装体和脑切片等 3D 培养物的活动及内部网络动态。此外，CorePlate™ 3D 在电极柱下方集成了微通道，可增强样品周围的微流体流动。这改善了组织底部的氧气和营养输送，并促进化合物在整个样品中更均匀地扩散。
结合 BrainWave 6 先进的分区分析功能，研究人员现在可以剖析样品中各个感兴趣区域（分区）的功能贡献。用户可以在活动图上或叠加在活动图上的样品图像上定义特定的感兴趣分区，从而对不同"分区"（例如组装体的分区 1 与分区 2）进行独立分析。这允许对各个分区进行网络连通性和 CAT 映射等通常需要全芯片分析的特征分析，从而准确评估整体活动和对药理学调控的网络响应。
在本应用笔记中，我们利用 CorePlate™ 3D 和 BrainWave 6 研究了由多个融合皮层类器官组成的组装体及其对荷包牡丹碱（Bic）的反应。我们以整体和分区两种可视化方式展示了组装体的活动，结果表明虽然组装体的整体趋势遵循活动增加的一般模式，但每个独立分区（融合组装体中的每个独立类器官）并不遵循相同的活动模式。
实验时间线
图 1. 实验时间线，展示培养时间线、记录周期和组装体给药。
方法
为了功能表征组装体对荷包牡丹碱的反应，按照图 1 所示及以下程序进行。
组装体培养： 将人 iPSC 衍生的脑类器官融合以创建功能性组装体，并在 156 DIV（体外培养天数）进行记录。
记录方案： 将组装体放置在 CorePlate™ 1W-3D 38/60/90 上，并按以下时间线进行记录：
- 基线： 记录 10 分钟的自发活动。
- 荷包牡丹碱处理： 在培养基中加入 25 μM 荷包牡丹碱（Bic，一种 GABA_A 受体拮抗剂）以诱导去抑制，并继续记录 10 分钟。
分析： 使用 BrainWave 6 根据融合类器官的形态和活动将组装体分割为不同的分区。
结果
分区划分
为了准确表征组装体的功能活动，我们首先评估了由类器官融合形成的不同形态区域是否表现出不同的活动模式。如图 2 所示，在该结构内可以看到四个主要架构区域，每个区域都表现出不同的活动水平，这些活动水平在不同的时间点出现和传播，与底层架构一致。
为了更准确地捕捉和分析这些区域内的活动差异，我们使用 BrainWave 6 分区工具将组装体细分为四个定义的分区（如图 2 中的红色、蓝色、绿色和黄色高亮所示），基于架构特征和活动模式，实现更精确的区域分析。
图 2. 组装体内不同时间点的活动模式可视化，以及基于架构特征和功能活动划分的指定分区（红色、蓝色、黄色、绿色）。
整体组装体活动 vs 分区活动
当以栅格图可视化整个组装体的活动时，整体模式似乎是协调的（图 3a）。然而，当以独立分区检查时，在荷包牡丹碱处理前后都可以看到活动的明显差异（图 3b）。
当在整体组装体水平分析时，放电率分析显示在荷包牡丹碱处理后出现预期的增加，这与广泛的去抑制一致（图 4a）。当在每个定义的分区内分析活动时，这些响应幅度的差异变得明显（图 4d）。一些区域表现出放电率的显著升高，表明强烈的 GABA 能调控，而其他区域仅显示出适度的变化。这些差异表明组装体每个分区内的局部回路保留不同的抑制敏感性和基线兴奋状态。
在整体组装体水平，神经元爆发频率和持续时间以预期的方式随荷包牡丹碱诱导的去抑制而增加（图 4c, e）。然而，特定分区分析揭示了这种爆发行为的可变性。一些分区表现出爆发频率和持续时间的大幅增加，而其他分区仅显示细微的变化（图 4d, f）。这些差异表明对爆发启动和终止的抑制控制在融合类器官结构中并不均匀。相反，它们可能反映了区域差异，局部微电路维持不同的抑制和兴奋性特征。
图 3. 栅格图展示将组装体作为整体 (a) 和按图 1 颜色编码的分区 (b) 研究时的基线和荷包牡丹碱活动。1 分钟窗口放大图（基线为橙色，荷包牡丹碱为紫色）突出了整体组装体活动和区域特异性（分区）活动之间的差异。
图 4. 指标展示将组装体作为整体（黑色柱）分析 vs 独立分区（与图 1 中各分区对应的彩色柱）分析时活动变化的差异。平均放电率 (a, d)。爆发频率 (b, e)。爆发持续时间 (c, f)。
整体组装体 vs 分区网络特性
当在整个组装体上测量时，网络爆发频率在荷包牡丹碱处理后显示出小幅增加，同时网络爆发持续时间也增加（图 5a, b）。当在独立分区水平分析时，一些分区表现出爆发频率或持续时间的显著增加，而其他分区仅显示微小变化（图 5c, d）。这些差异突出了在区域水平分析活动的重要性，因为整体组装体测量可能掩盖响应的异质性。
图 5. 指标展示将组装体作为整体（黑色柱）分析 vs 独立分区（与图 1 中各分区对应的彩色柱）分析时活动变化的差异。网络爆发频率 (a, c)。网络爆发持续时间 (b, d)。
这突出了组装体内的独立回路在对抑制阻断的敏感性和维持延长网络级事件的能力方面存在显著差异。对整个组装体的连通性映射揭示了荷包牡丹碱处理后连通性空间分布的变化（图 6a）。然而，独立分区分析表明某些区域比其他区域经历了更显著的连通性分布变化。
当作为整体组装体评估时，发现链接数量总体上升（图 6b），而分区水平调查表明这些变化在整个组装体中并不均匀（图 6c）。
相反，特定区域似乎比其他区域发生了更大的网络级重组。这种模式表明，即使组装体的整体连通性可能受到荷包牡丹碱等抑制性化合物的影响，组装体的每个独立分区实际上是由与组装体中每个融合类器官相关联的高度响应局部网络子集塑造的。
图 6. 网络连通性图展示将组装体作为整体分析 vs 独立分区分析时连通性的差异 (a)。指标展示将组装体作为整体（黑色柱）(b) vs 独立分区（与图 1 中各分区对应的彩色柱）(c) 分析时链接数量的差异。
分区 vs 组装体 CAT 特性
活动中心轨迹（CAT）分析揭示了荷包牡丹碱处理后组装体轨迹模式（图 7a）和持续时间（图 7b, c）的变化。然而，当在分区水平检查时，这些效应并不均匀。
虽然整体组装体 CAT 图显示在加入荷包牡丹碱后活动轨迹更加分散和延长，但特定分区分析发现了显着的区域可变性。一些分区发展出更加分散的轨迹，持续时间明显更长，而其他分区表现出较小的改变。这种异质性表明，尽管整个结构是一个大型组装体，但各个区域在其底层回路架构方面仍然存在差异，导致对去抑制的可变性响应，尽管暴露于相同的化合物。
图 7. CAT 连通性图展示将组装体作为整体分析 vs 独立分区分析时 CAT 图的差异 (a)。指标展示将组装体作为整体（黑色柱）(b) vs 独立分区（与图 1 中各分区对应的彩色柱）(c) 分析时 CAT 图的差异。
讨论
基于分区的分析是 BrainWave 6 的一项新功能，可以精确研究样品内的各个区域，并使得通常需要在这些独立分区进行全芯片分析的网络连通性和 CAT 分析得以在这些独立分区中执行。
这为研究由不同亚群组成的神经组织（如组装体和脑切片）的研究人员提供了重大优势，其中不同区域可能对同一刺激做出独特响应。该工具同样适用于包含多个球体或类器官的孔，因为每个结构可以在单个芯片上独立分析，并可完全访问网络和 CAT 基础读数。
重要的是，分区工具不仅限于单孔格式，还可以跨多孔设备应用，进一步提高了 CorePlate™ 的通量。在本应用笔记中，我们利用 BrainWave 6 的分区工具研究了 CorePlate™ 3D（一种具有 4,096 个 3D 电极的 HD-MEA）上由多个融合皮层类器官组成的组装体的急性记录。这些电极穿透组织，提供增强的信号质量和对内部网络动态的访问，同时底层微通道架构改善了整个样品的氧合、营养输送和化合物扩散（Mapelli 等）。
荷包牡丹碱的应用在整体组装体水平产生了预期的去抑制效应；然而，将数据集细分为空间定义的分区揭示了更丰富且更具生物学信息的全景。整体组装体分析检测到放电率、爆发动力学、网络特性、连通性和 CAT 持续时间的整体增加，但这些整体测量掩盖了区域差异。分区分析表明，虽然每个区域通常遵循相同的趋势，但响应的程度在所有评估特征（包括放电率、爆发频率和持续时间、网络特性、链接数量和 CAT 持续时间）上都有相当大的差异。
这些发现表明，在该系统中，将多个类器官融合为单个组装体并不会消除它们的区域个体性。相反，每个分区保留不同的生理特性，可能由其细胞组成、内在连通性和成熟状态差异塑造。这一特征只有在使用空间分辨的分区分析时才变得明显。
结论
在本应用笔记中，我们利用 CorePlate™ 3D 和 BrainWave 6 研究了由多个融合皮层类器官组成的组装体及其对荷包牡丹碱的反应。CorePlate™ 3D 的 4,096 个穿透电极和优化的微流控技术使得能够从组装体进行最佳记录。与此硬件相辅相成的是，BrainWave 6 分区分析工具实现了对空间不同区域的精确定量。
虽然整体组装体测量提供了组装体对荷包牡丹碱响应的有用整体视图，但分区调查揭示了放电、爆发、网络和 CAT 中潜在的区域多样性。它们共同使对组装体等复杂神经系统的准确研究成为可能，使这种集成方法成为研究组装体、脑切片和多种类器官培养物等复杂神经元样品的理想平台。
参考文献
- Mapelli L, Di Domenico D, Sciacca G, Mainardi F, Ottaviani A, Monteverdi A, Tedesco M, Battaglia CR, Tritto S, Gandolfo M, Imfeld K, Kiderlen S, Krainer L, Cervetto C, Marcoli M, Sing A, Andersen J, Birey F, Sloan SA, Maccione A, D'Angelo E. Enhanced electrophysiological recordings in acute brain slices, spheroids, and organoids using 3D high-density multielectrode arrays. PLoS One. 2025 Sep 4;20(9):e0328903. doi: 10.1371/journal.pone.0328903. PMID: 40906696; PMCID: PMC12410755.
作者
3Brain AG，瑞士 Pfäffikon SZ
致谢
我们感谢来自布雷西亚大学分子与转化医学系人类细胞与分子神经药理学实验室的 Luigia Collo 医学博士提供组装体。
联系人｜李东伟
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