HD-MEA助力揭示阿尔茨海默病家族性与散发性神经网络的差异
2026-09-21 来源:本站 点击次数:40
自1976年Katzman将阿尔茨海默病（AD）与老年性痴呆等同以来，家族性AD（fAD）与散发性AD（sAD）一直被假定为同一疾病过程。fAD由APP、PSEN1、PSEN2常染色体显性突变引起，sAD则为多因素、晚发。两者虽均有淀粉样斑块和tau沉积，但淀粉样沉积模式、代谢改变等存在差异。APP不仅是Aβ的前体蛋白，还具有调节神经发生、迁移、轴突生长、树突成熟、突触发生及AIS稳态等多种生理功能。传统研究多基于转基因小鼠或外源Aβ，但缺乏对神经元网络层面动态发育的高分辨率纵向观察。
2026年，由美国匹兹堡大学医学院Karl Herrup教授领导的研究团队在《Alzheimer's & Dementia》期刊上发表了题为“Behavior of neural networks in culture suggest that sporadic and genetic forms of Alzheimer's disease may not be equivalent”的研究论文。研究揭示了fAD与sAD在神经元网络层面存在显著不同的电生理表型。通过高密度微电极阵列（HD-MEA）结合R1.40转基因小鼠、lentiAPP感染和Aβ寡聚体处理，发现APP过表达主要损害早期发育（降低放电概率、阻碍突触发生和轴突分支），而Aβ主要破坏成熟突触连接和网络通讯。该发现挑战了fAD与sAD为同一疾病的传统假设，为AD临床前模型的谨慎解读提供了重要依据。
HD-MEA以26,400个电极、17.5 μm间距，可在不干扰细胞的情况下长期、高时空分辨率记录整个网络的电活动，为区分fAD与sAD的生理表型提供了关键技术手段。
研究主要结果
本研究取E16.5小鼠皮层神经元，培养于HD-MEA或玻璃盖玻片。分四组：野生型对照、fAD模型（R1.40转基因组）、sAD模型1（lentiAPP感染，DIV10或DIV18。备注：DIV，Days In Vitro，体外培养天数）、sAD模型2（Aβ寡聚体处理，DIV10或DIV18）。纵向记录DIV5-DIV26电活动，分析放电率、尖峰振幅、活跃电极数、轴突分支、传导速度、网络爆发。结合免疫染色（MAP2、Ankyrin G、synapsin-1、6E10、PHF1）评估结构与病理。
1、野生型皮层网络的电生理发育具有独立的时间轴
野生型E16.5小鼠皮层神经元在HD-MEA上培养，DIV10前几乎无电活动，DIV10-DIV14活跃电极数量急剧上升，此后基本稳定（图1H）。
但不同电生理指标成熟时间不同：平均尖峰振幅持续上升至DIV16后进入平台期（图1I）；平均放电率则在整个3-4周培养期内近乎线性增长（图1J）。轴突分支数在DIV18后增加近4倍（图1L）；动作电位传导速度在DIV16后趋于稳定（图1O）。网络活动早期以全网络同步爆发为主，DIV22后参与爆发的电极比例急剧下降，提示局部回路开始形成（图2E,F）。
B为MAP2免疫染色与电极记录叠加；
C为尖峰检测示例；
D为放电率热图；
E-F为热点与MAP2、Ankyrin G（AIS）共定位；
G为同一培养DIV10-DIV26连续热图；
H-J为活跃电极数、尖峰振幅、放电率随DIV变化；
K-O为轴突追踪、分支数、传导速度测量。
B为光栅图示例（显示持续放电、全网络爆发、局部爆发）；
C为DIV14-DIV26光栅图；
D为爆发活动示例（Di静息期，Dii爆发期）；
E为参与爆发的电极比例；
F为爆发次数与参与电极分数的关系。
2、fAD模型R1.40神经元呈现“早熟但成熟受阻”的表型
fAD模型（携带人类APPSwe转基因的R1.40小鼠神经元）在DIV5-DIV7时尖峰振幅已显著高于野生型（图3B）；DIV10时放电率已达到成熟野生型水平，此后不再增加（图3C）。轴突分支数在年轻培养中高于野生型，但随培养时间不再增长，而野生型在3周后分支数近乎翻倍（图3D）。网络层面，fAD模型在DIV14已建立类似成熟野生型的爆发/间期模式，但此后被“锁定”在该模式，无法像野生型那样在DIV22后转向局部活动（图3F-I）。
F为DIV14-DIV26光栅图；
G为参与爆发电极比例；
H-I为爆发次数与参与电极分数的关系，并与野生型比较。
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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。
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sAD模型1（在DIV18成熟培养中加入1 μM Aβ寡聚体），数小时内活跃电极数下降约一半（图4A）；尖峰振幅不受影响（图4B）；轴突分支发育受阻（图4C）；放电率先短暂升高后持续降低（图4D）；动作电位传导速度的增长完全被阻断（图4E）。
免疫染色显示，Aβ处理后区域突触素-1（synapsin-1）缺失，6E10（Aβ） puncta覆盖在MAP2+神经突上，提示突触被物理性“剥离”（图7H）。
F为DIV14-DIV26光栅图，显示Aβ“静默”整个区域。
D为光栅图；
E-F为爆发活动；
G为分支数；
H为synapsin-1/6E10/MAP2/DAPI免疫染色，显示Aβ区域突触素-1缺失。
4、成熟期过表达APP（lentiAPP）与Aβ、R1.40均不同
DIV10感染lentiAPP后，DIV18时需约80 mV刺激才能达到对照约35 mV的半最大放电概率（图5B），放电率降低（图5E），但活跃电极数未减少（图5D），尖峰振幅基本不变（图5E）。轴突分支数未随培养增加，反而停滞在类似R1.40的低水平（图6G）。网络爆发活动被阻断，无法像对照那样在DIV22后停止全网络爆发（图6D-F）。
B为刺激-放电概率曲线（对照半最大约35 mV，lentiAPP约80 mV）；
C-E为活跃电极数、尖峰振幅、放电率；
F为轴突分支数；
G为DIV22光栅图。
D为DIV14-DIV26光栅图；
E-F为爆发活动分析；G为轴突分支数。
5、APP过表达可诱导tau病理
lentiAPP感染细胞在DIV22时胞体PHF1（病理性tau晚期表位）信号显著高于同一培养中未感染细胞（图8），提示APP水平升高不仅改变电活动，还开始重现AD的其他病理特征。
研究总结
本研究利用HD-MEA高分辨率记录，证明fAD模型（R1.40）与sAD模型（Aβ寡聚体、lentiAPP）在神经元和网络层面产生显著不同的电生理表型。APP主要影响早期发育（降低放电概率、阻碍突触发生和轴突分支），Aβ主要破坏成熟突触连接和网络通讯。因此，家族性与散发性AD可能并非同一疾病实体，临床前研究需谨慎解读基于转基因小鼠或外源Aβ的模型。
HD-MEA的核心优势在于高通量、高分辨率、长期纵向记录与电刺激功能，在本研究中发挥了重要作用：
①高分辨率单细胞追踪：通过1024个最活跃电极识别单个神经元，追踪其轴突分支和传导速度；
②网络爆发分析：利用光栅图区分全网络爆发与局部爆发，发现R1.40在DIV22后无法像野生型那样转向局部活动；
③刺激-反应评估：对lentiAPP感染细胞施加双相脉冲，绘制刺激-放电概率曲线，证明APP过表达降低放电概率；
④长期纵向监测：同一培养连续记录4周，揭示Aβ对成熟网络的渐进性破坏。
这些案例体现了HD-MEA在AD机制研究中的独特价值。
参考文献
Ma F, Akolkar H, Benosman R, Herrup K. Behavior of neural networks in culture suggest that sporadic and genetic forms of Alzheimer's disease may not be equivalent. Alzheimers Dement. 2026 May;22(5):e71493. doi: 10.1002/alz.71493.
2026年，由美国匹兹堡大学医学院Karl Herrup教授领导的研究团队在《Alzheimer's & Dementia》期刊上发表了题为“Behavior of neural networks in culture suggest that sporadic and genetic forms of Alzheimer's disease may not be equivalent”的研究论文。研究揭示了fAD与sAD在神经元网络层面存在显著不同的电生理表型。通过高密度微电极阵列（HD-MEA）结合R1.40转基因小鼠、lentiAPP感染和Aβ寡聚体处理，发现APP过表达主要损害早期发育（降低放电概率、阻碍突触发生和轴突分支），而Aβ主要破坏成熟突触连接和网络通讯。该发现挑战了fAD与sAD为同一疾病的传统假设，为AD临床前模型的谨慎解读提供了重要依据。
研究主要结果
本研究取E16.5小鼠皮层神经元，培养于HD-MEA或玻璃盖玻片。分四组：野生型对照、fAD模型（R1.40转基因组）、sAD模型1（lentiAPP感染，DIV10或DIV18。备注：DIV，Days In Vitro，体外培养天数）、sAD模型2（Aβ寡聚体处理，DIV10或DIV18）。纵向记录DIV5-DIV26电活动，分析放电率、尖峰振幅、活跃电极数、轴突分支、传导速度、网络爆发。结合免疫染色（MAP2、Ankyrin G、synapsin-1、6E10、PHF1）评估结构与病理。
1、野生型皮层网络的电生理发育具有独立的时间轴
野生型E16.5小鼠皮层神经元在HD-MEA上培养，DIV10前几乎无电活动，DIV10-DIV14活跃电极数量急剧上升，此后基本稳定（图1H）。
但不同电生理指标成熟时间不同：平均尖峰振幅持续上升至DIV16后进入平台期（图1I）；平均放电率则在整个3-4周培养期内近乎线性增长（图1J）。轴突分支数在DIV18后增加近4倍（图1L）；动作电位传导速度在DIV16后趋于稳定（图1O）。网络活动早期以全网络同步爆发为主，DIV22后参与爆发的电极比例急剧下降，提示局部回路开始形成（图2E,F）。
图1：展示野生型皮层网络电活动发育
A为HD-MEA培养示意图；B为MAP2免疫染色与电极记录叠加；
C为尖峰检测示例；
D为放电率热图；
E-F为热点与MAP2、Ankyrin G（AIS）共定位；
G为同一培养DIV10-DIV26连续热图；
H-J为活跃电极数、尖峰振幅、放电率随DIV变化；
K-O为轴突追踪、分支数、传导速度测量。
图2：网络活动发育
A为活跃电极编号与颜色标尺；B为光栅图示例（显示持续放电、全网络爆发、局部爆发）；
C为DIV14-DIV26光栅图；
D为爆发活动示例（Di静息期，Dii爆发期）；
E为参与爆发的电极比例；
F为爆发次数与参与电极分数的关系。
2、fAD模型R1.40神经元呈现“早熟但成熟受阻”的表型
fAD模型（携带人类APPSwe转基因的R1.40小鼠神经元）在DIV5-DIV7时尖峰振幅已显著高于野生型（图3B）；DIV10时放电率已达到成熟野生型水平，此后不再增加（图3C）。轴突分支数在年轻培养中高于野生型，但随培养时间不再增长，而野生型在3周后分支数近乎翻倍（图3D）。网络层面，fAD模型在DIV14已建立类似成熟野生型的爆发/间期模式，但此后被“锁定”在该模式，无法像野生型那样在DIV22后转向局部活动（图3F-I）。
图3：R1.40（fAD模型）网络行为
A-E为活跃电极数、尖峰振幅、放电率、轴突分支数、传导速度随DIV变化，均显示早熟但成熟受阻；F为DIV14-DIV26光栅图；
G为参与爆发电极比例；
H-I为爆发次数与参与电极分数的关系，并与野生型比较。
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）
HD-MEA设备MaxOne（MaxWell Biosystems）
3、Aβ寡聚体破坏成熟网络，但不阻断早期结构发育sAD模型1（在DIV18成熟培养中加入1 μM Aβ寡聚体），数小时内活跃电极数下降约一半（图4A）；尖峰振幅不受影响（图4B）；轴突分支发育受阻（图4C）；放电率先短暂升高后持续降低（图4D）；动作电位传导速度的增长完全被阻断（图4E）。
免疫染色显示，Aβ处理后区域突触素-1（synapsin-1）缺失，6E10（Aβ） puncta覆盖在MAP2+神经突上，提示突触被物理性“剥离”（图7H）。
图4：Aβ寡聚体对成熟培养的影响
A-E为活跃电极数、尖峰振幅、轴突分支数、放电率、传导速度；F为DIV14-DIV26光栅图，显示Aβ“静默”整个区域。
图7：Aβ对神经元培养的影响。
A-C为活跃电极数、尖峰振幅、放电率（与lentiAPP、对照比较）；D为光栅图；
E-F为爆发活动；
G为分支数；
H为synapsin-1/6E10/MAP2/DAPI免疫染色，显示Aβ区域突触素-1缺失。
4、成熟期过表达APP（lentiAPP）与Aβ、R1.40均不同
DIV10感染lentiAPP后，DIV18时需约80 mV刺激才能达到对照约35 mV的半最大放电概率（图5B），放电率降低（图5E），但活跃电极数未减少（图5D），尖峰振幅基本不变（图5E）。轴突分支数未随培养增加，反而停滞在类似R1.40的低水平（图6G）。网络爆发活动被阻断，无法像对照那样在DIV22后停止全网络爆发（图6D-F）。
图5：lentiAPP对成熟DIV18培养的影响
A为感染细胞mCherry与APP免疫染色；B为刺激-放电概率曲线（对照半最大约35 mV，lentiAPP约80 mV）；
C-E为活跃电极数、尖峰振幅、放电率；
F为轴突分支数；
G为DIV22光栅图。
图6：lentiAPP对未成熟DIV10培养的影响
A-C为活跃电极数、尖峰振幅、放电率（与R1.40、对照比较）；D为DIV14-DIV26光栅图；
E-F为爆发活动分析；G为轴突分支数。
5、APP过表达可诱导tau病理
lentiAPP感染细胞在DIV22时胞体PHF1（病理性tau晚期表位）信号显著高于同一培养中未感染细胞（图8），提示APP水平升高不仅改变电活动，还开始重现AD的其他病理特征。
图8：lentiAPP感染培养的PHF1染色
DIV14与DIV22对照与感染细胞对比，感染细胞（mCherry+）胞体PHF1信号随培养时间显著增加。研究总结
本研究利用HD-MEA高分辨率记录，证明fAD模型（R1.40）与sAD模型（Aβ寡聚体、lentiAPP）在神经元和网络层面产生显著不同的电生理表型。APP主要影响早期发育（降低放电概率、阻碍突触发生和轴突分支），Aβ主要破坏成熟突触连接和网络通讯。因此，家族性与散发性AD可能并非同一疾病实体，临床前研究需谨慎解读基于转基因小鼠或外源Aβ的模型。
HD-MEA的核心优势在于高通量、高分辨率、长期纵向记录与电刺激功能，在本研究中发挥了重要作用：
①高分辨率单细胞追踪：通过1024个最活跃电极识别单个神经元，追踪其轴突分支和传导速度；
②网络爆发分析：利用光栅图区分全网络爆发与局部爆发，发现R1.40在DIV22后无法像野生型那样转向局部活动；
③刺激-反应评估：对lentiAPP感染细胞施加双相脉冲，绘制刺激-放电概率曲线，证明APP过表达降低放电概率；
④长期纵向监测：同一培养连续记录4周，揭示Aβ对成熟网络的渐进性破坏。
这些案例体现了HD-MEA在AD机制研究中的独特价值。
参考文献
Ma F, Akolkar H, Benosman R, Herrup K. Behavior of neural networks in culture suggest that sporadic and genetic forms of Alzheimer's disease may not be equivalent. Alzheimers Dement. 2026 May;22(5):e71493. doi: 10.1002/alz.71493.
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