高密度微电极阵列（HD-MEA）相比传统电生理（如膜片钳）或低密度微电极阵列，具备三大核心优势：
高时空分辨率与大规模并行记录： HD-MEA芯片拥有数千个紧密排列的电极，能同时从数百个神经元记录毫秒级的电活动。
非侵入性长期功能追踪： 该技术无需穿透细胞，可对同一批神经元网络进行数周至数月的长期观察。
功能性结构成像： HD-MEA独有的轴突追踪功能，可以通过分析动作电位在电极阵列上的传播路径和时间，反向推算出神经元的形态特征，如轴突长度和传导速度。
这三大核心优势使得HD-MEA能够同时实现高通量网络筛查与单神经元功能性结构解析，本次论文解读介绍一个充分利用其 “高通量网络筛查与单神经元解析” 优势的典型案例，供大家参考。

论文的标题为“Human iPSC-derived glutamatergic neurons with pathogenic KCNQ2 variants display hyperactive bursting phenotypes”，由美国波士顿儿童医院Mustafa Sahin教授团队与加拿大多伦多病童医院Stephen W. Scherer教授团队于2025年9月25日在《Neurobiology of Disease》（IF2024=5.1）期刊上联合发表。研究揭示了携带不同致病性KCNQ2变异的人源诱导多能干细胞衍生的谷氨酸能神经元均表现出网络高兴奋性表型。通过CRISPR-Cas9构建等基因对照并结合HD-MEA分析，发现特定变异（如G256W）可导致神经突生长异常与传导速度加快，且其电刺激诱导的高兴奋性可被钾通道开放剂瑞替加滨（retigabine）逆转。该研究为理解KCNQ2相关脑病的细胞机制及开发精准疗法提供了重要的人源神经元模型与表型依据。

研究主要结果
本研究从三名携带不同KCNQ2致病性变异（L292_L293delinsPF、G256W、T274M）的患者获取成纤维细胞（Fig. 1），重编程为iPSC，利用CRISPR-Cas9构建等基因对照。将iPSC分化为谷氨酸能神经元，通过神经突生长分析、RNA-seq、免疫荧光、微电极阵列（MEA）等功能测试，系统评估变异对神经元结构与功能的影响。

Fig. 1:
A: KCNQ2通道结构及三个变异位点示意图。
B: 细胞系信息表，包括变异类型与CRISPR校正后命名。
C: iPSC分化为iNGN2神经元的时间线与实验设计。

1、神经元形态学改变：KCNQ2变异导致神经突增长
在iPSC分化的谷氨酸能神经元中，两个KCNQ2变异系（T274M/+ 和 G256W/+）在接种后24小时和72小时表现出显著更长的神经突长度（Fig. 2）。至第7天，仅G256W/+仍保持显著增长，而L292_L293delinsPF/+未显示差异。

Fig. 2:
神经突生长分析：G256W/+ 和 T274M/+ 在24h、72h和7天时神经突长度显著增加，L292_L293delinsPF/+ 无差异。

2、转录组分析：钾通道及相关基因表达异常
RNA-seq显示，L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 中KCNN1表达上调，T274M/+ 中KCNQ5下调，G256W/+ 中HCN1下调（Fig. 3）。共鉴定出9个在三系中共同差异表达的基因，如CHCHD2、DNAH9等。

Fig. 3:
A: 神经元与突触标记物表达热图。
B: 钾通道基因表达差异。
C: 三组变异系与对照的差异表达基因火山图。
D-E: WGCNA与GO分析显示突触传递、细胞粘附等通路富集。

3、突触标记物表达增加
在分化第30天，L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 的MAP2阳性神经突上SYN1/PSD95双阳性突触点数显著增加（Fig. 4），而G256W/+无显著差异。

Fig. 4:
SYN1/PSD95免疫荧光显示L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 突触点数增加。

4、MEA揭示神经元网络功能亢进
在微电极阵列（MEA）记录中，所有三个KCNQ2变异系的爆发持续时间均显著增加（Fig. 5）。L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 还表现出更高的网络爆发频率、同步性指数和每个爆发中的尖峰数。

Fig. 5:
MEA记录显示所有变异系爆发持续时间增加，L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 网络爆发频率、同步性等指标上升。

5、MEA揭示单神经元功能异常
接下来利用Maxwell MEA特有的axon tracking功能来检测神经元的轴突功能（Fig. 6），结果显示，G256W/+ 神经元的传导速度显著增加，T274M/+ 的传导速度下降，且其起始点振幅降低。G256W/+ 的总神经突长度也显著增加。

Fig. 6:
MEA分析显示G256W/+ 传导速度与神经突长度增加，T274M/+ 传导速度与振幅下降。

Movie 1：
分化第30天，在MEA上对等基因对照isoG256W神经元进行的功能性神经突追踪。红线显示信号在单个神经元中从轴突起始段向神经突末端的传播过程。

Movie 2：
分化第30天，在MEA上对患者来源的G256W/+神经元进行的功能性神经突追踪。

买 MEA设备，找礼智生物！
本研究中使用的高密度微电极阵列（HD-MEA）设备由瑞士MaxWell Biosystems公司研发生产。HD-MEA技术在8.1 mm²芯片表面集成26,400个电极（密度3,259 electrodes/mm²，间距17.5 μm），将电信号采集的空间分辨率提升至亚细胞层级，可捕获样本的每一个神经元电信号。不仅支持急性脑切片、视网膜组织等生物样本的急性实验记录，更支持体外培养神经元、类器官、心肌细胞的长时程检测。

礼智生物是MaxWell中国区独家授权代理商，积累了丰富的高密度MEA技术的实验和数据分析经验。欢迎联系我们，了解这一技术的更多细节和资料！（联系方式见文末）

6、药物干预：Retigabine逆转G256W/+的高兴奋性
在900 mV电刺激下，G256W/+ 网络的总尖峰数显著增加，瑞替加滨（Retigabine，10 μM）可逆转此现象（Supplemental Fig. 7），并在洗脱后恢复，表明KCNQ2通道增强剂具有治疗潜力。

Supplemental Fig. 7：
MEA电刺激实验证实G256W/+神经元网络的高兴奋性及Retigabine的药理挽救。

研究总结
本研究利用HD-MEA的高时空分辨率与单神经元追踪能力，首次在人类iPSC源性神经元中实现了功能性轴突传导速度与振幅的量化，并揭示了KCNQ2变异导致的网络高兴奋性。G256W/+神经元的传导速度增加与总神经突长度增长，均在HD-MEA中通过“轴突追踪工具”精确量化，体现了HD-MEA技术在解析神经元结构与功能关系中的独特优势。

参考文献
Sundberg M, Shum C, Norabuena EM, et al. Human iPSC-derived glutamatergic neurons with pathogenic KCNQ2 variants display hyperactive bursting phenotypes. Neurobiol Dis. 2025 Nov;216:107126. doi: 10.1016/j.nbd.2025.107126.