研究概述：

基底前脑中的 Meynert 基底核 (nbM) 是人脑重要的胆碱能中心，其向皮层发出的胆碱能长程投射 (cholinergic long‑range projection) 参与学习、注意力与记忆调控。基底前脑–皮层胆碱能通路的损伤与阿尔茨海默病、唐氏综合征等多类神经退行性和发育性疾病密切相关。由于基底前脑谱系在体外难以精准诱导、胆碱能投射神经元难以形成长程轴突，且长期缺乏能够验证通路方向性、诱发性与因果性的功能工具，人源基底前脑-皮层通路尚未建立。

本研究通过优化 SHH–Purmorphamine–NGF 诱导策略，首次构建了具备基底前脑区域特、富含 CHAT⁺/VACHT⁺ 投射型胆碱能神经元的人源基底前脑类器官 (hnbMO)，并在电生理与递质释放层面证实其成熟功能。随后，研究团队在人胎脑组织共培养与免疫缺陷小鼠双脑区移植体系中，进一步验证这些胆碱能神经元能够向皮层发出长程投射并形成功能性突触。作者还将基底前脑类器官与皮层类器官 (hCO) 融合，建立了基底前脑–皮层组装体 (nbM‑cortical assembloids)，并通过病毒示踪与光遗传确认投射轴突逐步进入皮层并完成突触连接。

在功能验证方法中，3Brain高密度3D微电极阵列平台 (3D HD‑MEA) (BioCAMDupleX 仪器 + Core Plate 3D 芯片 + BrainWave5 软件)，提供了关键的通路级功能验证，基底前脑类器官网络成熟度的电生理确认，以及组装体中基底前脑→皮层投射的方向性、诱发性因果证据。

基于此平台，作者进一步构建了唐氏综合征 (DS) 来源的基底前脑–皮层组装体，清晰呈现出胆碱能神经元在轴突投射、突触连接与网络活动上的显著缺陷，为解析认知障碍与通路损伤机制提供了可靠的人源模型。相关成果于 2025 年 11 月发表在Cell Stem Cell (IF = 20.4)。

3D HD-MEA验证基底前脑→皮层的方向性投射
3Brain 的 高密度3D微电极阵列（4096 通道、60µm 电极间距、3.8×3.8mm²记录面积）可在类器官体系中同时实现精准定位刺激与全阵列自发放电记录 (full-array spontaneous recording)。依托其立体电极结构，电极可轻微嵌入类器官表层并与组织原位 (in situ) 贴合，从而直接耦合类器官内部神经元，获取来源明确且具有一致时空分辨率的细胞外动作电位 (spikes)。

在基底前脑→皮层组装体中，3D HD‑MEA 首先在未刺激条件下绘制功能连接图谱 (functional connectivity map)：基底前脑侧呈现更多发送节点 (sender)，皮层侧呈现更多接收节点 (receiver)，提示该通路具有符合生理的方向偏好（图1A、1B）。进一步在基底前脑侧实施局部电刺激，可在皮层侧记录到时间锁定的诱发动作电位 (evoked spikes)（图1A、1C），直接给出跨区域、方向性、诱发性的通路级功能证据，使该体系从“结构连通”上升为“功能连通”。

图 1｜3Brain 3D HD‑MEA 捕获基底前脑→皮层投射的方向性功能连接

(A) 融合培养 20 天的基底前脑–皮层组装体的记录场景（左）以及刺激前（右上）与刺激后（右下）的功能连接图谱。每个节点代表一个记录电极：红色 = 发送端，蓝色 = 接收端，白/灰色 = 中介节点（broker，既接收也转发活动）。连线表示不同电极间的功能相关性，其颜色表示相关强度。刺激后，连接数量与强度显著提升，网络整体被激活（节点“聚集”为布局算法呈现方式，非解剖位置）。

(B) 量化分析：基底前脑侧发送端显著多于皮层侧；皮层侧接收端显著多于基底前脑侧。

(C) 皮层侧光栅图。在基底前脑侧施加局部刺激后，皮层侧多个通道在相同时间窗出现高密度放电带（加粗横带）。纵轴：记录通道；黑线：放电。

此外，在类器官阶段（未组装前），3D HD‑MEA 还检测到自发放电与网络同步化活动 (图2A、2B；视频1），说明基底前脑类器官内部已形成成熟胆碱能网络，为通路功能验证奠定电生理基础。

图 2｜3Brain 3D HD‑MEA 记录类脑网络同步化放电

(A) 培养120天的基底前脑类器官的记录场景。右侧为同一记录的平均放电率曲线（Mean Firing Rate, MFR）与光栅图：可见网络周期性出同步化放电，即 MFR 的峰值与 光栅中多通道同时放电的条带时序对应。

(B) 同步放电事件的平均放电率进行量化。

3D HD-MEA实验流程
01. 样本接种
融合培养20 天的基底前脑–皮层组装体被直接铺设于 3Brain BioCAM DupleX平台搭配的CorePlate 3D芯片上，芯片表面覆盖一层透明聚酯膜滤片以确保样本充分贴合并获得稳定接触。随后，将组装体静置20min以完成沉降与原位固定。

02. HD‑MEA 数据采集（在BrainWave 5中配置）
刺激设置 | 在基底前脑侧选取电极作为刺激点，并将相邻的两个电极设为正极、另两个相邻电极设为负极，两极之间间隔一个电极以形成局部化且稳定的刺激场。刺激参数设定为脉冲时长 50ms、刺激强度 65µA，每次间隔 10s。

记录阶段 | 皮层侧多通道电极用于同步并行记录神经活动，系统将自动保留每次刺激事件的时间戳，用于后续进行“刺激–响应” 对齐分析。

03. 数据分析
原始数据在BrainWave5 软件中完成全套预处理与分析流程，包括以 100Hz 高通滤波去除低频漂移与慢波信息，并使用内置算法进行spike检测与分拣。随后，以刺激事件作为时间零点，将刺激前后窗口对齐，用于量化诱发响应的平均放电率、刺激‑响应的重复性指标。此外，通过内置算法进行spike 时间序列相关性分析（spike‑train cross‑correlation）和节点角色推断算法（functional connectivity & node‑role assignment），基于全阵列的放电时序计算各通道之间的驱动关系，从而生成跨区域的功能连接图谱（图1）。

讨论与展望：
随着核团级类器官和通路级类联合体的成熟，神经科学的关注点正从“结构是否正确”转向“通路是否真正可用”。研究者越来越关心：这些模型能否在体外执行真实的信息处理，从而支持通路级药理学与疾病通路建模？

在这样的需求下，3Brain 已不再只是电生理记录工具，它将跨区域刺激‑响应、时序解析、节点角色识别整合于单一体系，使研究者能够在体外直接测量以及分析长程投射的功能状态。无论是胆碱能系统、丘脑–皮层互作、干预长程投射疾病，还是未来针对通路可塑性与通路药理学的研究，3Brain HD‑MEA 都在成为这些模型从“结构存在”走向“功能成立”的关键技术。

神经类器官研究正在进入功能时代。3Brain 提供了让投射可观测、让通路可验证、让功能真实可证的能力。

参考与图片来源
Wang, D., Zhang, X., Tang, X.-Y., Gan, Y., Yu, H., Wu, S., Hong, Y.,Tao, M., Chu, C., Qi, X., Hu, H., Zhu, Y., Zhu, W., Han, X., Xu, M., Dong, Y.,Cheng, Q., Guo, X., & Liu, Y. (2025). Generation of human nucleus basalisorganoids with functional nbM–cortical cholinergic projections in transplanted assembloids. Cell Stem Cell, 32, 1833–1848. https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.10.004

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