利用Axion Maestro研究神经类器官
前言：Hear the sound of symphonies
2019年6月7日出版的全球顶级科学期刊《科学》格外引人注目，本期为类器官（Organoids）的特刊，有多篇重磅综述，以及杂志编辑准备的一篇特刊介绍：“Approximating organs”。
Science Vol 364, Issue 6444 07 June 2019
无独有偶，顶尖学术期刊《自然》6月6日上线的一篇论文中，研究人员从培养出的21个类脑器官中分离出超过16万个细胞，用单细胞RNA测序的方法，根据在不同阶段的基因表达对细胞分组。利用大数据分析的计算机模型，他们将类器官的细胞组成与真正胚胎大脑皮层的细胞类型进行比较。
分析结果令人欣喜：95%的类器官产生的细胞类型组成几乎一致，它们遵循着相似的发育轨迹。所谓让培养皿中长出一个“迷你大脑”不难，难的是每次长出的都一样，哈佛大学和Broad研究所Stanley精神病学研究中心的科学家们带来了一项重要技术突破。
在培养1个月的细胞团块中，可以看到不同类型的细胞，包括将成熟的神经元。
Silvia Velasco et al., (2019) Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex. Nature. Doi: 10.1038/s41586–019–1289–x
用荧光标记结合显微成像，我们可以看到大脑类器官的形态和不同的细胞组成，利用比如高内涵成像仪等设备还可以开展一些较高通量的筛选工作，但在这些色彩斑斓的画面或视频中有一个缺憾，就如同欣赏交响乐时，你可以看到不同乐器的演奏者，甚至他们演奏的形态，但是却听不到音乐的声音。
神经元的特点就在于建立网络进行“交流”。Axion Maestro如同在“迷你大脑”的演出现场放置数十个麦克风（电极），将声音（放电）予以忠实的采集和播放。
本文编自Axion Biosystems公司神经类器官应用报告，原文请点击尾部“阅读原文”；文章最后是一段可爱的视频“迷你大脑之歌”。
––––––现在让我们一起开始欣赏吧––––––
从离体组织模型中“听”到更多
类器官的前景
与传统的单层培养细胞相比，由诱导多能干细胞(iPSC)形成的三维体外细胞模型，通常被称为细胞球（spheroids）、类器官（organoids）或“迷你大脑（mini–brains）”，能够更准确地模拟体内组织的多细胞组成和结构。一些发育生物学和disease–in–a–dish的最新进展表明，在体外重建出体内的微环境极富应用价值，用这些3D模型进行功能研究，可以建立更好的疾病模型，将会在药物发现和安全性评价等应用领域大展身手。
3D电生理组织模型
利用Axion BioSystems的Maestro Pro和Edge可以灵活和直观地对神经三维结构进行功能电生理学分析。Maestro能够容易地捕获一个或多个类器官的放电活动，提供出功能神经数据，并结合其他常用的类器官检测方法进行多重分析。
如下图所示，在电极上培养的类器官中的神经元(橙色)的放电活动被临近电极(灰色圆圈)捕获。Maestro MEA系统可以检测的神经网络功能的关键参数：活性（activity）、同步性（synchrony）和振荡（oscillation）。
活性：动作电位是神经元功能的基本特征。高值显示频繁的动作电位放电，低值显示神经元功能受损。
同步性：突触是神经元之间的功能连接。同步性反映了突触连接的多寡和强度，以及神经元在毫秒级的时间间隔内同时产生动作电位的可能性。
振荡：神经振荡（高活性和低活性的交替周期）是兴奋性和抑制性神经元形成的功能网络的一个标志。振荡（Oscillation）测量的是所有神经的放电峰（spikes）在时间上的组织和构成。
大脑类器官的功能活动
由人诱导多能干细胞(hiPSCs)产生的大脑类器官展现出自发的神经活动，随着神经网络的成熟，放电率、同步性和振荡都在增加。Maestro能够同时记录多个类器官(A)的电活动；培养30天后，类器官展现出网络放电簇（network bursts）的活动(B和C)，表明强劲的神经网络连接已经形成。
A)显示4个大脑类器官放电率的活动图。
B)同一孔中不同电极记录的连续电压数据实例。在同一个类器官的不同位点记录放电活动。
C)全孔栅格图，显示了B中孔内所有16个电极上的类器官产生的放电峰（spikes），以及网络连接导致的网络放电簇（bursts）。蓝绿色的标记显示电极上记录的放电簇，橙色的框表示网络放电簇。
三维结构提供了更复杂的模型
无血清胚状体(SFEBs)是由hiPSCs生成的三维模型系统，在体外重现了皮层网络发育的一些特征。在微电极阵列（MEAs）上长期培养和记录信号，监控SFEBs的发育和成熟。在第30天到第90天，SFEBs的皮层网络信号显示随着网络的发育，放电峰和放电簇的数量逐步增加。
A)在MEA板上的SFEB图像。Phillips, A. W., Nestor, J. E., &Nestor, M. W. (2017). Developing HiPSC Derived Serum Free Embryoid Bodies forthe Interrogation of 3–D Stem Cell Cultures Using Physiologically RelevantAssays. J Vis Exp(125). doi:10.3791/55799.
B)活动图显示了整个孔的放电率（firing rate），显示了电极上SFEB的覆盖范围，第30和90天的放电强弱。原始记录和全孔栅格图显示了放电活动随时间的发展。
单击以下链接阅读及下载全文：