2025年1月，東京大學(xué)Yoshiho Ikeuchi團(tuán)隊在期刊《Advanced Healthcare Materials》（IF：10.0）在線發(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)動力學(xué)提供了一種強(qiáng)大的方法。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是將包括神經(jīng)類器官在內(nèi)的3D神經(jīng)組織與平坦的MEA表面連接起來，因為將神經(jīng)元放置在電極附近對于記錄神經(jīng)元的微弱細(xì)胞外信號至關(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）來增強(qiáng)MEA測量的策略。在腦類器官上放置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)甚至可以檢測到運(yùn)動神經(jīng)類器官捆綁軸突中動作電位傳播等細(xì)微信號。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)電生理測量工具的潛力。這可以開辟新的途徑來利用神經(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

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

傳統(tǒng)的MEA技術(shù)在與3D神經(jīng)組織（如神經(jīng)類器官）結(jié)合時存在接觸面積有限的問題。該研究通過在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法接觸電極的神經(jīng)元的活動，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的幅度，還增強(qiáng)了信號的信噪比，使得MEA能夠更準(zhǔn)確地檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動，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測量的同時，還可以進(jìn)行光遺傳學(xué)操作。

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

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)組織的生長和修復(fù)，例如在神經(jīng)損傷修復(fù)研究中，通過局部應(yīng)用PFD來提高受損神經(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，同時減少對其他組織的副作用，這在神經(jīng)疾病治療研究中具有重要價值。PFD的光學(xué)透明性使其在結(jié)合光學(xué)成像技術(shù)時具有優(yōu)勢，可以在進(jìn)行電生理記錄的同時，進(jìn)行神經(jīng)活動的光學(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，例如開發(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。另一種方法是優(yōu)化MEA的表面特性，通過表面修飾技術(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，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，通過微流控通道引導(dǎo)神經(jīng)組織的生長方向，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，需要根據(jù)具體的實驗需求和神經(jīng)組織的特性進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

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

A：在實驗前對MEA進(jìn)行充分的清洗和校準(zhǔn)，確保電極表面干凈無雜質(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，避免過量的PFD導(dǎo)致不必要的噪聲增加，同時確保PFD均勻覆蓋在神經(jīng)組織上，減少局部信號干擾。可以在數(shù)據(jù)處理階段采用先進(jìn)的信號處理算法，如小波去噪或自適應(yīng)濾波等，對記錄到的信號進(jìn)行降噪處理，提取出有效的神經(jīng)信號，提高信噪比。還可以在實驗環(huán)境中采取屏蔽措施，減少外部電磁干擾對MEA測量的影響，從而降低背景噪聲。