新型三维神经接口实现类脑器官全覆盖高分辨率电生理监测
类脑器官作为研究人类神经系统发育和疾病机制的重要平台，具有传统二维细胞培养所不具备的复杂三维神经元网络结构。然而，现有神经接口技术在电生理信号采集和控制方面存在明显局限，主要表现为对神经元群体的可及性有限、微电极密度不足，难以实现对类脑器官神经网络活动的全面解析。这些技术短板严重制约了类脑器官在基础研究和转化医学中的应用潜力。
美国西北大学John A. Rogers院士、Colin K. Franz教授和伊利诺伊大学芝加哥分校John D. Finan教授、清华大学张一慧教授合作报道了一种形状匹配的柔软三维介观框架，通过对类脑器官实现近乎完整的表面覆盖，构建了高通道数量的神经接口，为精准电生理分析和程序化电刺激提供了创新解决方案。该神经接口通过逆向建模技术设计，可围绕类脑器官自组装形成三维结构，实现对神经活动的三维重建和高分辨率空间电生理分析。多孔框架设计同时支持荧光成像、局部光遗传调控、纵向监测、药效评估和神经疾病表型建模，在人源皮层和脊髓类脑器官研究中展现出广泛应用前景。相关论文以“Shape-conformal porous frameworks for full coverage of neural organoids and high-resolution electrophysiology”为题，发表在
Nature Biomedical Engineering上，论文第一作者为Naijia LiuShahrzad ShiraviTianqi JinJiaqi Liu
研究团队提出的设计策略核心在于通过逆向计算实现目标三维几何形状的精确匹配（图1a）。以球形类脑器官为例，研究人员将其表面离散化为相互连接的子表面，通过优化梁结构的弯曲刚度分布，使其屈曲构型与目标曲面高度吻合（图1b）。为解决全表面覆盖与三维曲率匹配的矛盾，创新性地引入微晶格结构设计，通过调控三角形微孔的尺寸分布实现材料有效模量的空间变化。微计算机断层扫描成像显示，该结构对毫米级球形类脑器官的表面覆盖率可达91%，集成了240个独立寻址的微电极（直径≤30微米），空间分辨率优于100微米（图1c,d）。铂黑涂层使微电极在1千赫兹频率下的电化学阻抗降低至约10千欧姆，电荷注入容量达到约200微安，具备优异的长期稳定性（图1e-g）。
图1 | 近乎全表面覆盖的三维形状适形神经接口 a，代表性系统的示意图。对微晶格几何形状的二维前驱体应用工程化机械屈曲方法，在逆计算模拟引导下形成所需的三维形状。微晶格提供大面积以支持密集的微电极阵列，同时具有足够的孔隙率允许自然代谢过程的扩散运输。b，同时实现目标表面几何形状和匹配类脑器官的三维曲率的设计策略示意图。c，接口的微CT图像，该接口在类脑器官的球形表面提供91%的表面覆盖率，带有240个用于测量和/或刺激的独立寻址电极。d，与插入并在三维微晶格框架内生长的类脑器官中细胞接口的微电极阵列的荧光图像。e，在该框架内培养的类脑器官的示意图和图像（插图），带有用于神经记录和刺激的外部连接电路。f，来自人源脊髓类脑器官和皮层类脑器官的神经尖峰波形集合。数据以每个簇内所有尖峰的平均值±标准差表示。比例尺，1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。g，本工作中的三维神经接口与其他类脑器官接口技术的比较，以表面覆盖率和电极数量为函数绘制。数据点根据参考文献12-21，46估计。
在人源诱导多能干细胞衍生的皮层类脑器官实验中，该神经接口展现出高效的电生理记录能力（图2a-c）。免疫染色显示分化60天后神经元、神经祖细胞和胶质细胞分布均匀，神经元间连接显著形成。研究采用\"原位生长\"策略确保接口与类脑器官间的紧密接触（图2d），通过跟踪类脑器官生长曲线确定合适的接口尺寸，避免插入过程中的机械压迫（图2e）。生长过程监测显示数天内接口与类脑器官间的空隙逐渐填充，活性通道数量相应增加（图2f）。240通道同步记录数据显示清晰的节律性神经活动模式（图2g-i），其中强波后跟随三个弱波的重复模式暗示了类脑器官水平的神经元连接特征。
图2 | 神经类脑器官的整合和高密度记录 a，分化第60天的人源皮层类脑器官免疫染色显示均匀的细胞分布。b，组织的明场图像，由神经元、星形胶质细胞和神经祖细胞组成。c，通过电生理学和钙荧光同步记录检测到的人源皮层类脑器官神经活动。a.u.，任意单位。d，\"原位生长\"策略的示意图，确保神经接口与类脑器官之间的紧密、温和接触。e，跟踪人源皮层类脑器官的生长曲线以确定三维神经接口的目标尺寸。数据以六个不同人源皮层类脑器官的平均值±标准差表示。f，通过原位生长过程各阶段的电生理记录显示活性通道数量增加。g-i，使用240个独立通道的接口对人源皮层类脑器官进行高密度神经记录。g，接口的八个组成梁的示意图，每个梁标记有特定颜色。h，在240个电极位点测量的神经电位。i，记录的神经活动的光栅图揭示复杂的振荡节律。
高分辨率空间电生理学依赖于三维界面上密集分布的电极阵列（图3a）。计算表明，要实现90%以上的可探测表面覆盖率，至少需要240个微电极。实验验证显示，8个微电极（探测范围3.4%）无法捕捉任何振荡爆发事件，32个微电极（探测范围13.6%）仅能检测到局部同步事件，而240个微电极阵列（探测范围92%）则完整揭示了跨类脑器官的节律性振荡波（图3b）。通过将记录数据与电极空间位置关联，研究实现了神经活动的三维表面重建，包括特定时刻的神经电位分布、平均尖峰幅度和平均放电频率（图3d-f）。相关性分析揭示了类脑器官内神经单元间的显著相关性及其精细结构（图3h,i），三维连接图谱显示相关神经单元分布于整个类脑器官而非局限于邻近区域，反映出类似发育中人脑的复杂三维神经网络组织。
图3 | 三维空间电生理学 a，微电极数量与可探测表面覆盖率的函数关系。插图：示意图描绘半径为r的微电极的有效探测距离（d）。b，使用不同数量微电极记录的人源皮层类脑器官（第90天）神经活动。对于所有电位图，比例尺：100毫秒（水平）和50微伏（垂直）；对于波形图，比例尺：1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。c，根据三维电极位置映射神经信号的示意图。d-f，三维表面映射显示神经电位（d），平均尖峰幅度（e）和平均放电频率（f）。g，特定位置记录（左）：图（右）显示一个同步波内的电位和典型的单单元尖峰波形。对于电位图，比例尺：100毫秒（水平）和50微伏（垂直）；对于波形图，比例尺：1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。h，人源皮层类脑器官389个记录神经单元间的相关性分析。i，一个示例神经单元的相关单元的三维连接图（左），以及来自（h）中同一个人源皮层类脑器官所有通道间的强相关性（右）。j，电刺激和同步钙荧光成像的示意图。k，荧光图像的亮度分析显示无刺激、60秒间隔刺激、30秒间隔刺激和刺激后的人源皮层类脑器官神经活动。l，基线荧光成像和亮度差异图，刺激分别来自单个微电极、一个梁的所有微电极、两个梁的所有微电极。实验在三个独立的人源皮层类脑器官中重复得到相似结果。a.u.，任意单位。
该技术在设计上具有多维度可调性（图4）。通过减小微孔尺寸可在保持二维几何形状和刚度分布的同时增加微电极数量，最高可达1800个微电极，空间分辨率达40微米（图4a,b）。平均孔隙率可在高达70%的范围内调整（图4c），表面覆盖率可在53%至91%之间变化，实现微电极阵列在感兴趣区域的集中分布（图4d）。该策略还支持非球形形状的设计，如六棱柱、立方体、椭球体、棱锥体甚至不对称几何形状（图4e），培养后的类脑器官可呈现相应的工程化形状（图4f,g），为神经生物力学研究和精准构建模块化组装提供了新工具。
图4 | 三维结构设计和具有工程化三维形状的类脑器官生长的多功能性 a，计算引导的微晶格布局细化过程的示意图，以最大化微电极密度，同时保持所需的二维几何形状和刚度分布。b-d，空间分辨率的实际可达到水平作为电极数量的函数（b），孔隙率作为电极数量的函数（c），以及表面覆盖率作为电极数量的函数（d），基于有限元分析结果。e，微CT成像显示六棱柱、立方体、椭球体和棱锥体形状的三维接口。f，具有工程化六棱柱、立方体和椭球体形状的人源皮层类脑器官的明场图像。g，具有球形、六棱柱和立方体几何形状的人源皮层类脑器官的底视图荧光图像。比例尺，1毫米。
该技术的应用潜力在多项实验中得到了验证（图5）。纵向监测显示大部分单单元尖峰波形在20天内保持稳定（图5a）。药理学实验中，钾通道阻断剂4-氨基吡啶使平均放电频率从0.28±0.06赫兹增加至1.2±0.2赫兹，而钠通道阻断剂利多卡因和河豚毒素则几乎完全消除自发活动（图5b）。光遗传调控实验中，特定区域的激光照射可实现与光刺激锁相的神经响应（图5c-e）。肉毒毒素暴露消除了明显的振荡节律（图5f,g），表明化学突触连接显著减少。谷氨酸毒性模型显示，谷氨酸应用后24小时内放电频率从0.19±0.06赫兹增至0.6±0.2赫兹，随后数天内急剧下降至0.05±0.03赫兹（图5h-j），与兴奋性毒性引起的神经退行性变过程一致。
图5 | 在类脑器官研究各领域的应用示范 a，神经类脑器官的纵向监测显示插入后数天内单个神经单元的稳定追踪。比例尺，1毫秒（水平）和20微伏（垂直）。b，神经类脑器官对4-AP、利多卡因和河豚毒素暴露的响应，通过整合的三维接口的96个独立通道记录，以放电频率热图显示，突出这些药物应用前后的活动变化。双尾t检验表明平均放电频率的变化具有统计学显著性：4-AP **P=1.57×10⁻⁷，利多卡因 **P=1.18×10⁻⁷，河豚毒素 **P=2.01×10⁻³。c，位置可调的光纤激光器进行局部光遗传刺激的示意图。d，四个微电极局部照明的强度分布的蒙特卡洛模拟。e，暴露的微电极和几个未暴露的邻近微电极的响应的光栅图，显示仅前者出现相位锁定的响应。f，肉毒毒素暴露消除神经递质效果的示意图。g，代表性通道在肉毒毒素暴露前后的响应光栅图，显示振荡性同步神经活动的消除。h，谷氨酸暴露增强神经传递的示意图。i，整合类脑器官在谷氨酸给药前后的放电频率热图，显示极度的神经元兴奋效应。j，整合的三维接口的96个独立通道的纵向监测显示谷氨酸暴露后5天内平均放电频率先升高后降低。b和j中数据以平均值±标准误表示。f和h示意图由BioRender创建：Wu, M.（2025）https://BioRender.com/Swd9f21。
本研究提出的三维介观电子学技术实现了对类脑器官的近乎完整表面覆盖、高分辨率电生理测量和电刺激调控。非常规的材料架构和设计方法结合受限生长技术，构建了对复杂类脑器官表面具有空间连续性和低阻抗的界面，同时保持足够的渗透性支持自然代谢过程的扩散运输。计算引导的设计空间不仅容纳了微电极数量、分布、分辨率、孔隙率和覆盖范围的广泛选项，还能实现对成熟类脑器官形状的工程化控制。数百个独立寻址的微电极支持类脑器官网络层面活动的单单元神经元记录，以及直接用于空间电生理学的三维重建。在局部光遗传激活、神经回路操纵和神经疾病表型发展等方面的应用示例，预示着该方法在神经发育、神经退行性疾病和神经疾病进展研究中的广泛应用前景，也为类脑器官智能系统和其他类型及组合的类脑器官研究提供了新的可能性。
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