用于监测类脑器官中三维神经网络电生理信号的多层微电极阵列

在三维中倾听微小大脑

科学家们正在学会在实验室中培养迷你、大脑样的组织，称为脑类器官。这些活体模型可以模拟人类大脑的若干特征，帮助我们理解疾病、测试药物并探索新的计算形式。但要充分利用它们，研究人员需要更好的方法来倾听位于深处的神经细胞的电信号，而不仅仅是表面。本研究介绍了一种新装置，能够在不切割或损伤器官的情况下，从这些微小大脑的多个深度记录信号。

用于培养微型大脑的温和支架

类器官是柔软的细胞球体，而大多数电子器件是平而刚的。团队通过构建由薄且多孔的薄膜组成的柔性支架来解决这一不匹配，薄膜上布置有微小的金属电极，像话筒一样记录神经活动。这些薄膜以软质间隔层叠放，形成多个层面，类器官可以在其中生长。大孔隙允许细胞穿行其间，并让营养物质和氧气自由流通，有助于组织长期保持健康。该设计使装置既成为支撑框架，又成为整个三维组织活动的监听平台。

为不同实验定制的层间结构

研究人员表明，通过改变软质间隔层的厚度，可以精确调节层间距离。他们使用成像确认了层间对齐良好且间隙符合预期值。网格薄膜既足够坚固以便反复操作，又薄到可以弯曲，这意味着它们可以排列为平叠、温和曲线或更复杂的形状。团队甚至演示了四层版本和能够同时容纳多个类器官的布局，为高通量研究或对多份样本进行并排处理不同处理方案打开了可能性。

来自组织深处的稳定信号

为捕捉神经元微弱的电脉冲，团队在每个微电极上涂覆了一层粗糙的铂，以降低电阻并改善信号质量。他们使用计算机模拟检查结构在类器官微小重量下不会下垂或变形，发现间隔层有助于保持应变低和层距稳定。随后他们从人类干细胞培养脑类器官，使其成熟，并将其轻放在最上层的网格上。在数周内，类器官增厚并逐步渗透到更深的层，同时保持健康的细胞标志并与多孔支架保持良好接触。

追踪三维中的神经对话

利用多层装置，研究人员在类器官发育过程中同时记录了两层然后四层的电活动。早期，神经元偶尔发放零散的尖峰。随着时间推移，信号变得更频繁、更同步，形成在多个深度出现的爆发。活跃记录位点的比例稳步增长，信号质量保持较高，表明装置与组织耦合良好。通过分析电极间尖峰的时序，团队构建了组织不同区域如何通信的三维映射，揭示了层间不断演变的连通性模式和协调活动。

刺激网络并探测其极限

该装置不仅是被动的监听器。在后期实验中，研究人员通过阵列的部分通道施加小而谨慎选择的电脉冲，观察类器官的响应。刺激触发了局部与广泛的活动变化，并增加了不同位点间的协调性，表明该网络可以被外部输入驱动并重塑。作者还讨论了当前的局限性，例如难以精确定位每个电极在类器官内的具体位置，以及类器官在网格上生长和扩展的自然变异性。他们勾画了未来的改进方向，包括更好地塑形支架以及将电记录与先进成像相结合。

这对未来脑研究的意义

简单来说，这项工作展示了一种在不切开组织的情况下，在三维中听取微小、正在生长的类脑组织电信号的方法。多层网格系统让科学家得以追踪神经细胞网络如何在类器官体积内形成、变化并响应刺激。这一方法可能使类器官在研究脑发育、疾病进程和药物效应方面更有用，甚至可能支持新型基于生物的计算。尽管仍需继续改进以更好地精确定位和评估长期影响，该装置在平面电子学与复杂多层活体脑组织结构之间提供了一座有前景的桥梁。

引用: Kim, N., Kang, M., Ji, J. et al. Multilayered microelectrode array for monitoring electrophysiological signals of 3d neural networks in cerebral organoid. Microsyst Nanoeng 12, 201 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01328-8

关键词: 脑类器官, 微电极阵列, 三维神经网络, 电生理学, 脑模型