2025年1月，東京大學(xué)Yoshiho Ikeuchi團(tuán)隊(duì)在期刊《Advanced Healthcare Materials》（IF：10.0）在線(xiàn)發(fā)表題為：Insulative Compression of Neuronal Tissues on Microelectrode Arrays by Perfluorodecalin Enhances Electrophysiological Measurements的高水平研究論文。

微電極陣列（MEA）技術(shù)為探索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)提供了一種強(qiáng)大的方法。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是將包括神經(jīng)類(lèi)器官在內(nèi)的3D神經(jīng)組織與平坦的MEA表面連接起來(lái)，因?yàn)閷⑸窠?jīng)元放置在電極附近對(duì)于記錄神經(jīng)元的微弱細(xì)胞外信號(hào)至關(guān)重要。

為了提高M(jìn)EA的性能，大多數(shù)研究都集中在改善其表面處理上，而很少關(guān)注從介質(zhì)方面改善組織MEA相互作用。在這里，介紹了一種通過(guò)在神經(jīng)組織上覆蓋全氟十氫萘（PFD）（一種生物相容性氟化溶劑）來(lái)增強(qiáng)MEA測(cè)量的策略。在腦類(lèi)器官上放置PFD可以隔離和壓縮MEA上的組織，從而顯著增強(qiáng)電生理記錄。該技術(shù)甚至可以檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)神經(jīng)類(lèi)器官捆綁軸突中動(dòng)作電位傳播等細(xì)微信號(hào)。此外，PFD在急性記錄中穩(wěn)定組織，其透明度允許進(jìn)行光遺傳學(xué)操作。

這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了PFD作為完善體外神經(jīng)元培養(yǎng)電生理測(cè)量工具的潛力。這可以開(kāi)辟新的途徑來(lái)利用神經(jīng)科學(xué)研究的準(zhǔn)確性，并擴(kuò)展神經(jīng)功能和連接的體外研究工具包。

創(chuàng)新點(diǎn)

首次提出了一種通過(guò)在神經(jīng)組織上覆蓋全氟十二烷（PFD）來(lái)增強(qiáng)微電極陣列（MEA）電生理測(cè)量的方法。

傳統(tǒng)的MEA技術(shù)在與3D神經(jīng)組織（如神經(jīng)類(lèi)器官）結(jié)合時(shí)存在接觸面積有限的問(wèn)題。該研究通過(guò)在MEA上覆蓋PFD，使得3D神經(jīng)組織與電極表面的接觸面積增大，從而能夠記錄到更多原本無(wú)法接觸電極的神經(jīng)元的活動(dòng)，拓展了MEA在3D神經(jīng)組織研究中的應(yīng)用范圍。

PFD的使用不僅提高了信號(hào)的幅度，還增強(qiáng)了信號(hào)的信噪比，使得MEA能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)，包括神經(jīng)元之間的連接和網(wǎng)絡(luò)的同步性等。

PFD具有良好的光學(xué)透明性，因此在使用PFD增強(qiáng)MEA測(cè)量的同時(shí)，還可以進(jìn)行光遺傳學(xué)操作。

該方法不僅適用于長(zhǎng)期培養(yǎng)的細(xì)胞，還能夠用于急性神經(jīng)組織的記錄。研究者們通過(guò)在MEA上覆蓋PFD，成功穩(wěn)定了自由漂浮的神經(jīng)類(lèi)器官，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)其電生理活動(dòng)的清晰記錄。

文獻(xiàn)精讀

Q1：全氟十二烷（PFD）在神經(jīng)科學(xué)研究中除了增強(qiáng)MEA電生理測(cè)量外，還有哪些潛在應(yīng)用？

A：PFD具有高密度和不溶于水的特性，可以用于增加組織的氧氣供應(yīng)，支持神經(jīng)組織的生長(zhǎng)和修復(fù)，例如在神經(jīng)損傷修復(fù)研究中，通過(guò)局部應(yīng)用PFD來(lái)提高受損神經(jīng)組織的氧合，促進(jìn)其功能恢復(fù)。PFD的化學(xué)穩(wěn)定性和生物惰性使其可以作為藥物載體，將神經(jīng)藥物精確遞送到目標(biāo)神經(jīng)組織，提高藥物的靶向性和有效性，同時(shí)減少對(duì)其他組織的副作用，這在神經(jīng)疾病治療研究中具有重要價(jià)值。PFD的光學(xué)透明性使其在結(jié)合光學(xué)成像技術(shù)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，可以在進(jìn)行電生理記錄的同時(shí)，進(jìn)行神經(jīng)活動(dòng)的光學(xué)成像，如熒光成像或光遺傳學(xué)成像，為研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)提供更全面的信息。

Q2：在MEA技術(shù)中，除了使用PFD外，還有哪些方法可以提高M(jìn)EA與3D神經(jīng)組織的接觸面積？

A：一種方法是改進(jìn)電極設(shè)計(jì)，例如開(kāi)發(fā)具有三維結(jié)構(gòu)的電極，如錐形電極或微針電極，這些電極可以深入到3D神經(jīng)組織中，增加與神經(jīng)元的接觸點(diǎn)。另一種方法是優(yōu)化MEA的表面特性，通過(guò)表面修飾技術(shù)，如涂覆生物相容性材料或細(xì)胞外基質(zhì)成分，增強(qiáng)神經(jīng)組織在MEA上的附著力和生長(zhǎng)，從而提高接觸面積。此外，還可以采用微流控技術(shù)與MEA結(jié)合，通過(guò)微流控通道引導(dǎo)神經(jīng)組織的生長(zhǎng)方向，使其更接近電極表面，或者在MEA上構(gòu)建微尺度的結(jié)構(gòu)，如微槽或微柱，為神經(jīng)組織提供更多的接觸空間。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需求和神經(jīng)組織的特性進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

Q3：在使用PFD增強(qiáng)MEA測(cè)量時(shí)，如何避免或減少背景噪聲的增加？

A：在實(shí)驗(yàn)前對(duì)MEA進(jìn)行充分的清洗和校準(zhǔn)，確保電極表面干凈無(wú)雜質(zhì)，減少由于電極污染引起的噪聲。優(yōu)化PFD的用量和覆蓋方式，避免過(guò)量的PFD導(dǎo)致不必要的噪聲增加，同時(shí)確保PFD均勻覆蓋在神經(jīng)組織上，減少局部信號(hào)干擾?？梢栽跀?shù)據(jù)處理階段采用先進(jìn)的信號(hào)處理算法，如小波去噪或自適應(yīng)濾波等，對(duì)記錄到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，提取出有效的神經(jīng)信號(hào)，提高信噪比。還可以在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中采取屏蔽措施，減少外部電磁干擾對(duì)MEA測(cè)量的影響，從而降低背景噪聲。