磁控液态金属电极用于脑器官的电生理分析
2026-02-06 来源:本站 点击次数:205本文介绍了一项创新研究，开发了一种磁可重构的3D液态金属多电极阵列，用于脑器官的电生理分析。脑器官作为人类大脑的3D模型，在神经科学研究中具有重要价值，但传统电生理记录方法存在侵入性强、记录点有限等问题。该研究通过直接打印液态金属形成软质电极，实现了对脑器官内部神经信号的时空记录，并利用磁性控制使单个电极能够检测多个点位，从而在不增加电极数量的情况下提高记录密度。这种方法最小化了对器官结构的损伤，支持长期监测，为理解脑器官的神经网络功能提供了新工具。
本研究的重大发现由Enji Kim、Eunseon Jeong、Yeon-Mi Hong、Inhea Jeong、Junghoon Kim、Yong Won Kwon、Young-Geun Park、Jin Lee、Suah Choi、Ju-Young Kim、Jae-Hyun Lee、Seung-Woo Cho和Jang-Ung Park共同完成。论文题为“Magnetically reshapable 3D multi-electrode arrays of liquid metals for electrophysiological analysis of brain organoids”，于2025年2月27日在《Nature Communications》期刊上在线发表。
重要发现
01液态金属3D电极的制备与特性
本研究的核心是开发了一种基于液态金属的3D多电极阵列。液态金属采用共晶镓铟合金，其在室温下为液态，杨氏模量与脑器官相近，确保了机械软性和生物相容性。通过气动控制的直接打印技术，使用内径18微米的玻璃毛细管喷嘴，在基底上打印出高度可调的3D柱状电极。打印速度可精确控制电极高度，从而定制电极在器官内部的空间位置。电极侧壁用聚对二甲苯-C绝缘层封装，仅露出尖端区域，并通过电沉积铂纳米簇降低阻抗，提高信号质量。阻抗测试显示，铂修饰后的电极阻抗比未修饰电极降低四倍，信号读取更稳定。此外，电极阵列可集成到高通量平台中，同时监测多个器官，体现了设计的灵活性。
研究使用了人诱导多能干细胞生成皮质器官，模拟人类大脑的发育过程。器官在培养过程中逐渐增大，60天后尺寸超过3毫米，并表现出皮质板层结构。通过免疫荧光染色验证了器官的细胞架构，包括神经前体细胞标记SOX2、神经元标记TUJ1以及星形胶质细胞标记GFAP。在培养130天后，器官显示出上层和深层皮质标记SATB2和CTIP2的层状分布，表明其成功复现了大脑皮质的成熟特征。这些生物成像方法为电生理分析提供了结构基础，确保了记录结果的可靠性。
03内部器官信号记录与分析
将3D液态金属电极与脑器官整合后，研究人员记录了器官内部的电生理信号。使用多通道信号处理器，采集频率范围0.1-3000 Hz的信号，包括局部场电位和单单位电位。通过自定义MATLAB代码进行信号分析，如尖峰检测和主成分分析，以区分不同神经元的放电模式。结果显示，电极能够捕获快速电压波动，噪声水平约13微伏。通过计算尖峰序列同步性，生成了神经网络图谱，揭示了器官内部神经社区的连接强度。例如，在4个月大的器官中，同步分数映射显示了复杂的神经网络活动，电极高度变化（如50、100、200微米）还反映出神经活动在空间上的异质性，表明电极能有效探测3D体积内的电生理差异。
04电生理成熟度分析
长期监测表明，脑器官的电生理特性随培养时间成熟。从2个月到6个月，尖峰率从0.33 Hz增加至8.90 Hz，爆发次数和持续时间也显著提升，反映了神经网络复杂性的增强。神经网络图谱显示，连接线和社区数量随成熟度增加，说明神经元通信更加活跃。这种非侵入性监测得益于电极的软质特性，避免了炎症反应，qPCR分析进一步证实电极插入未影响神经元基因表达。这些发现强调了该方法在追踪器官发育动态中的优势。
05磁可重构电极的多点检测
创新性地，电极通过沉积钴磁性层实现了磁可重构。外部磁场控制可使电极倾斜，位移精度达微米级，使单个电极能覆盖更大区域。在20次重复倾斜循环中，电极轨迹一致，确保了检测的可重复性。信号记录显示，倾斜后尖峰波形发生变化，表明电极接触了不同的神经元群体，有效增加了记录点密度。同时，磁性控制未对器官活性产生显著影响，验证了技术的安全性。这一功能为高密度记录提供了解决方案，克服了传统电极数量有限的瓶颈。
创新与亮点
本研究突破了传统电生理记录的难题。传统方法如刚性电极插入会损伤器官结构，而表面电极仅能记录截面信号，无法捕捉3D体积内的神经网络。本论文提出的液态金属3D电极通过软质材料和可定制打印，实现了最小侵入性记录，解决了器官完整性保护的挑战。
在技术层面，研究创新性地应用了液态金属直接打印和磁可重构技术。液态金属的流变性允许高分辨率成型，电极尖端尺寸与细胞尺度匹配，减少了机械模量不匹配引起的损伤。磁性控制则利用外部磁场精确调整电极位置，无需物理添加电极即可扩展记录范围，这是一种新型的动态监测策略。
在光学生物医疗领域，这项技术具有实际价值。例如，在疾病建模中，它可以集成到阿尔茨海默病或癫痫的脑器官中，帮助识别病理电路异常；在药物筛选中，能长期监测患者特异性器官对药物的反应，加速个性化医疗发展。通过提供高时空分辨率的电生理数据，该方法为神经退行性疾病研究提供了深入见解，有望推动脑科学工具的创新。总结与展望
本研究成功开发了磁可重构3D液态金属多电极阵列，实现了对脑器官内部电生理信号的高效记录。软质电极和磁性控制技术最小化了侵入性，并允许单电极多点检测，为神经网络分析提供了新途径。未来，可通过优化打印系统提高生产效率，并应用于更复杂的器官模型或体内研究，以进一步验证其生物医学价值。随着脑器官技术的成熟，这种方法有望成为神经科学和药物开发中的重要工具，为理解大脑功能开辟新视野。
声明：本文仅用作学术目的。
Kim E, Jeong E, Hong YM, Jeong I, Kim J, Kwon YW, Park YG, Lee J, Choi S, Kim JY, Lee JH, Cho SW, Park JU. Magnetically reshapable 3D multi-electrode arrays of liquid metals for electrophysiological analysis of brain organoids. Nat Commun. 2025 Feb 27;16(1):2011.
DOI:10.1038/s41467-024-55752-3.