大脑学习记忆以及突触可塑性的机制依然是一个充满谜团的领域，吸引了大量研究者从离体和在体的角度展开探索。很长时间以来，在离体条件下研究突触可塑性的方法都是基于单细胞或群体细胞的刺激后电流或场电位的短时程和长时程变化。确实，这是一个检测可塑性发生的经典电生理指标，然而突触可塑性的发生也伴随着网络功能的改变，传统的膜片钳及胞外记录手段很难从神经网络的角度切入。

近年来兴起的高密度微电极阵列（HD-MEA）是一种全新的检测手段，能够同时检测数百个神经元的放电，并且支持对样本的长期观测，这使得该技术在发育相关的神经网络研究上具有独特的优势。

我们今天介绍的这篇论文是一个很好的尝试，将HD-MEA应用于学习记忆和突触可塑性的研究，提出了网络功能连接，网络临界状态评估等一些列全新的电生理指标，为未来的突触可塑性研究提供了新的思路。
 

文章的标题为“Human neural organoid microphysiological systems show the building blocks necessary for basic learning and memory”，由美国约翰斯·霍普金斯大学Lena Smirnova教授领导的研究团队于2025年8月16日在《Communications Biology》（IF₂₀₂₄=5.2）期刊上发表。

研究系统运用HD-MEA技术对神经类器官进行多维度功能表征。通过记录6-14周类器官的自发和诱发活动，分析了四个关键方面：

• 网络动态记录。发现成熟类器官爆发活动更同步；
• 功能连接性。显示10-13周类器官连接更强；
• 临界状态评估。通过分支比和临界性偏离系数证实成熟类器官更接近信息处理最优状态；
• 突触可塑性诱导。通过θ爆发式刺激成功诱导短期增强和长时程增强/抑制。

图摘要

​研究主要结果
研究将人源 iPSC 分化为神经类器官，在14周内系统评估其发育（Figure 1）。

Figure 1：实验设计与流程概览

a) 实验时间线：从iPSC诱导至14周分化，包括基因表达、钙成像、HD-MEA记录、药理学干预与θ爆发式刺激（TBS）。
b) 功能连接性与临界性分析流程：从自发或诱发活动中提取电极信号，构建功能连接网络与临界性指标。
c) 突触可塑性诱导机制示意图：药理学或电刺激通过调控谷氨酸受体与IEGs表达诱导LTP。

1. 神经类器官具备成熟的突触结构与受体表达
研究通过RNA测序和免疫荧光染色证实，神经类器官在分化过程中逐渐表达关键突触前（如Synaptophysin）和突触后（如HOMER1）标记物（Figure 2）。抑制性突触标记物Gephyrin在12周时显著增加，表明抑制性突触逐渐成熟。此外，谷氨酸能受体（GRIN1、GRIN2A、GRIN2B、GRIA1）和GABA能受体（GABRA1）的基因表达随时间上升，并在第8周左右趋于稳定，提示类器官在第8至12周达到功能成熟状态。

Figure 2：突触与即刻早期基因（immediate-early genes, IEGs）表达随时间变化

a) HOMER1（突触后）与SYP（突触前）免疫荧光显示突触形成。
b) Gephyrin（抑制性突触）、SYN1（突触前）、MAP2（树突）表达随分化增强。
c) GABRA1、GRIN1、GRIN2A、GRIN2B、GRIA1、HOMER1基因表达随时间上升并趋于稳定。
d) NPTC2、ARC、CREB、BDNF蛋白表达在8周与12周间无显著差异。
e) IEGs（ARC、BDNF、NPAS4、NPTX2、FOS、EGR1）基因表达随时间上升。
f) CREB、CAMK2A、SYNGAP1基因表达上升。
g) miR-124-3p、miR-132-3p上升，miR-134-3p先升后降。

2. 即刻早期基因与突触可塑性相关分子动态表达
多个即刻早期基因（immediate-early genes, IEGs）如ARC、BDNF、NPAS4、NPTX2和FOS在分化过程中表达显著上升，而EGR1在神经前体细胞中已有表达并保持稳定（Figure 2）。上游调控因子CREB和CAMK2A的表达也随时间增加，CAMK2A增幅最大。此外，与突触可塑性相关的microRNA（如miR-124-3p、miR-132-3p）表达上升，而miR-134-3p在早期上升后下降，反映了其在突触下调中的作用。

3. 钙成像揭示自发电活动随分化时间演变
从第4周开始，类器官出现自发性钙振荡（Figure 3）。第4–6周表现为高频、多峰爆发，第8周后转为低频、高振幅、长持续时间的爆发模式，表明神经元网络同步性增强。第10–14周，爆发频率和振幅下降，但持续时间稳定，提示网络活动趋于成熟。

Figure 3：钙振荡动态与网络成熟

a) 第2–14周类器官钙信号（ΔF/F）代表性轨迹。
b) 爆发上升时间、振幅、频率、衰减时间、持续时间、峰数量等参数随时间变化，显示网络同步性增强。

4. 高密度微电极阵列记录显示网络动态与临界性
HD-MEA记录显示（Figure 4），6–9周类器官爆发频率更高、活动面积更大，但10–13周类器官表现出更强的功能连接性和更高的临界性指标（如更低的DCC值、更高的分支比BR）（Figure 5）。临界性分析表明，成熟类器官更接近临界状态，有利于高效信息处理。

临界性指标是用来评估类器官的活动状态是否接近理想状态的指标，常用的有临界性偏离系数（Deviation from Criticality Coefficient, DCC）和分支比（Branching Ratio, BR）。

DCC是一个用于量化神经系统（如脑组织和类器官）的活动状态与其理想临界状态之间距离的指标，其值越小，表明系统越接近临界状态，其信息处理能力越高效。

BR是用于量化神经活动中活动传播或衰减趋势的关键指标。BR值越接近1，意味着神经活动处于理想的临界状态，活动既不会迅速消亡，也不会爆炸式增长，而是可以稳定、持续地传播，此时网络的信息处理能力和动态范围被认为是最优的。

Figure 4：HD-MEA记录的自发网络活动

a,b) 第6–9周与10–13周类器官在MEA上的发放图谱与活动面积。
c) 爆发频率、峰数量、活动面积等指标显示年轻组活动更活跃。

Figure 5：功能连接性与临界性分析

a) 功能连接图显示成熟组连接更密集。
b–d) 节点数、边分数、模块性随时间变化。
e–g) DCC、BR、SCe显示成熟组更接近临界状态。

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5. 药理学干预验证突触传递功能
使用GABA能拮抗剂（bicuculline）和钾通道拮抗剂（4-AP）可增强网络活动并诱导IEGs表达，而谷氨酸能受体拮抗剂（NBQX+AP5）则完全抑制爆发活动（Figure 6）。进一步阻断多巴胺能和去甲肾上腺素能神经元后，剩余活动显著减少，表明这些神经元在维持基础活动中起重要作用。

Figure 6：药理学干预对IEGs与电活动的影响

a) 药理学处理2小时后IEGs表达变化。
b) 代表性发放图谱。
c,d) 爆发频率、爆发间隔变异系数、爆发持续时间、峰比例在药理学干预后的变化。

6. θ爆发式刺激诱导输入特异性突触可塑性
在14周类器官中，通过θ爆发式刺激（TBS）刺激单个神经元可诱发短期突触可塑性（STP），表现为活动面积、总峰电位和诱发活动在刺激后立即增加（Figure 7）。部分神经元在刺激后180分钟内保持增强或抑制的发放率，表明存在输入特异性的长时程增强（LTP）或抑制（LTD）（Figure 8）。临界性在刺激后也有所增强，分支比显著上升。

Figure 7：TBS诱导的短期突触可塑性

a) TBS刺激协议示意图。
b) 刺激前后活动面积变化。
c) 诱发活动热图。
d,e) 活动电极比例、总峰数、诱发活动分布显示部分类器官出现STP。

Figure 8：TBS诱导的连接性、临界性与长时程可塑性

a–c) 刺激后节点数、边分数、模块性、DCC、BR、SCe变化。
d) 单位水平上LTP与LTD的发放率变化，部分单位在180分钟内保持增强或抑制。

研究总结
本研究系统验证了人源神经类器官具备支持学习与记忆的基本分子与功能基础。类器官在分化过程中逐步形成功能性突触、表达关键IEGs与受体，并展现出与成熟神经网络相似的自发与诱发活动、临界状态及突触可塑性。

通过药理学与电刺激干预，研究进一步证实类器官能够模拟短期与长期突触可塑性，为其作为研究认知过程与神经系统疾病的体外模型提供了有力证据。

参考文献
Alam El Din DM, Moenkemoeller L, Loeffler A, et al. Human neural organoid microphysiological systems show the building blocks necessary for basic learning and memory. Commun Biol. 2025 Aug 16;8(1):1237. doi: 10.1038/s42003-025-08632-5.
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