微电极阵列接口微流体研究神经元通信和轴向信号传播
December 8th, 2018
该协议旨在说明如何将体外微电极阵列与微流体器件结合起来, 研究神经元培养中的动作电位传递。数据分析, 即传播动作电位的检测和表征, 是使用一种新的先进的、但方便用户和免费提供的计算工具进行的。
该协议的总体目标是演示如何将微流体与微电极阵列相结合，生成适合研究神经元通信和极光信号传播的平台。你好，我是保罗·阿吉亚尔，我是 INEB 神经工程和计算神经科学实验室的 PI，曾经为葡萄牙波尔图大学生物医学工程编码。了解神经回路中的信息传输仍然是神经科学的最大挑战之一。
今天，我将向您展示我们如何将单个微型执行器阵列与实验室开发的微流体和软件工具相结合，以检测和传播作用潜力。我们使用此设置在各种研究中，即神经编码和解码，以及感觉神经元和其他细胞类型之间的通信。我们认为，该协议的可视化演示至关重要。
由于微流体和微电极阵列的组装是难以管理，很难通过复制协议复制。对于市场来说，这个平台上的培养销售并不像传统的 ADA 那样简单明了，它需要特别注意细胞坐的东西和培养磁铁。此设置使我们能够在控制良好的环境中研究几个与通信相关的属性，如传播速度和方向。
尽管记录过程很简单，但数据分析需要知识和使用正确的计算工具。在细胞坐姿前一天，首先准备微型流体设备，用乙烯基胶带清洗。轻轻按压设备上的胶带，以到达微流体的所有区域。
空气等离子体清洁 MEA 三分钟，清洁表面，使其更亲水。在层流罩内，将微流体淹没在70%的乙醇中。让他们风干。
将每个 MEA 放在培养皿中，并经过 15 分钟的紫外线照射消毒。然后，使用 500 微升的 PEI 解决方案，转到 MEA 的中心区域。孵育至少一小时。
在层流罩内，从 MEA 表面吸气 PEI 涂层溶液。然后，用一毫升无菌水洗四次 MEA。在无菌显微镜的帮助下，放置在层流罩内。
将 MEA 芯片居中，并在 MEA 的中心区域添加一毫升无菌水。接下来，将微流体器件放在 MEA 表面的顶部，并小心地对齐 MEA 的微groove 微有源网格。吸过多水，在37度孵育过夜，允许完全附着。
第二天，用层压素装载井，再次孵育。收集胚胎后，进行前额皮层解剖。首先小心地暴露大脑，用一对钳子。
然后，轻轻地将大脑从腔中取出。用冷的 H - HBSS 盖住它。当存在时，拆下并丢弃嗅觉灯泡。
最后，解剖前额皮层。确保完全去除门丁。对两个半球重复此过程。
研究所需的大脑数量。在层流罩内，收集以前在总共五毫升H-HBSS中解剖的皮层片段。然后，将这些片段转移到无菌的15毫升慢性管。
移液， 并具有 2.3 毫升新鲜准备的尝试性素溶液到含有皮层片段的管子。混合悬浮液，在37度孵育15分钟。每五分钟搅拌一次。
然后，丢弃含有 trypsin 的上能，添加包含 FBS 的 H-HBSS，以灭活剩余的 trypsin。轻轻搅拌。让皮层碎片稳定下来，丢弃上清液。
使用 H-HBSS 洗涤两次，取出 FBS，然后再次丢弃上一液。添加补充的神经基底介质，通过缓慢向上和向下移液机械分离组织。通过细胞滤株过滤盐悬浮液，丢弃剩余的组织。
然后，将20微升的细胞悬浮液与20微升的试板蓝色混合。将10微升转移到Neubauer腔室，并计算可行细胞的数量。在细胞坐姿之前，立即从微 EF 的所有孔中去除层明。然后，将小体积的上一时介质添加到斧弓室的每个井中。
慢慢地将五微升的细胞悬浮液播种到索马尔隔间。在37度孵育一小时，使细胞附着到基板上。一小时后，用温暖的补充介质轻轻填充每一个井。
添加小卷以避免单元格分离。然后，将微型 EF 转移到孵化器。这里显示了一种在体外五天的文化。
一周后，文化开始自发活动。在执行录像之前，使用温度控制器吃前放大器火底板。然后，将微型 EF 放在前加器上，然后关闭并锁定盖子。
要记录，请打开多通道实验软件。将采样速率设置为 20 千赫。拖动筛选器和录制的框，然后按顺序连接它们以记录原始和筛选的数据。
开始数据采集以可视化信号，并快速记录。可以使用多通道分析器快速浏览记录的数据。在这里，沿微增长的信号传播已经很清楚了。
要识别和描述此传播事件，请打开微尖峰猎人中的记录。单击文件信息按钮以访问录制设置，然后选择一组微电极进行分析。设置传播事件检测的阈值。
和快速读取数据。该软件将列出所有检测到的序列。然后，用户可以根据微电极之间的相互距离和交叉相关性，评估传播速度作为信息、微电极对之间的传播速度。
化疗图工具允许用户手动估计传播速度。此处显示了一个传播事件。在微层内沿四个微电极检测。
这些事件可以在 Rasser 图中表示。以下是录制前两分钟沿 11 微groove 的传播活动。高和低活性微groove是黄色和红色，恭敬。
请注意沿 11 个微杂货店的活动同步。同步与活动速率无关。从两个微增长器的瞬时发射速率的变化中可以看起。
微grooves 还充当斧头信号放大器，如框和胡须图所示。我们已经告诉你如何结合微流体与 MEA，以及如何培养神经元上。此外，如何记录和提取这些录制中有意义的数据。
我们希望这个演示对你的研究有用，为什么你可能想要研究神经回路中的通信。
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概述
该协议展示了微电极阵列与微流控装置的集成，用于研究神经元培养中的动作电位传递。它强调了视觉演示和使用用户友好的计算工具进行数据分析的重要性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 神经工程学
- 电生理学
背景
- 理解神经回路中的信息传递是神经科学的一大挑战。
- 微电极阵列允许记录神经元的电活动。
- 微流控装置能够精确控制细胞环境。
- 结合这些技术可以增强神经元通信的研究。
研究目的
- 创建一个研究神经元通信和轴突信号传播的平台。
- 检测和表征神经元培养中传播的动作电位。
- 促进神经编码和解码的研究。
使用的方法
- 微电极阵列与微流控装置的集成。
- 使用专门开发的软件工具进行数据分析。
- 为清晰起见对协议进行视觉演示。
- 在涉及感觉神经元的各种研究中应用。
主要结果
- 成功检测和表征动作电位。
- 增强对神经元通信机制的理解。
- 展示了该协议在研究应用中的有效性。
- 开发了一个用户友好的计算工具用于数据分析。
结论
- 结合使用微电极阵列和微流控技术对研究神经元活动是有效的。
- 这种方法可以推进神经科学和神经工程学的研究。
- 视觉协议对于可重复性和理解至关重要。
常见问题
Executive Industry Relevance
This microfluidic-MEA platform addresses a key challenge in neuroscience drug discovery: isolating axonal signal propagation from somatic noise in neuronal cultures. By enabling high-resolution, long-term recording of spike propagation with improved signal-to-noise ratio, the method supports mechanistic de-risking of targets involved in neurodevelopment, neurodegeneration, and neuroregeneration. It provides predictive confidence in early discovery by quantifying communication-related phenotypes such as conduction velocity and firing patterns.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by isolating axonal signaling to clarify pathway-specific communication in neuronal circuits.
- Operational Value: Supports biological de-risking through functional validation of targets modulating spike propagation velocity and conduction failure.
- Predictive Value: Quantifies anterograde spike transmission and coding mechanisms to inform portfolio triage based on functional target engagement.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated, compartmentalized neuronal cultures for downstream compound evaluation with controlled axonal alignment and microelectrode coupling.
- Quantitative Outputs: Delivers reproducible, high-resolution measurements of propagation velocity, conduction failure, and firing rate for reliable compound screening.
- Scalability & Reuse: Enables platform standardization across studies of sensory neuron communication and co-culture configurations, supporting assay transferability.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models neurodevelopmental and neurodegenerative processes by tracking axonal signal propagation over weeks in vitro.
- Translational Continuity: Bridges discovery to preclinical validation by quantifying communication phenotypes relevant to circuit dysfunction and repair.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions through objective metrics of neuroregenerative potential and information coding fidelity.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification, providing functional readouts that bridge phenotypic screening and mechanistic validation in neuronal systems.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking by isolating axonal contributions to network activity in controlled microenvironments.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible neuronal cultures with standardized electrophysiological readouts for compound effect evaluation.
- Analytics: Enables quantitative comparison of conditions via propagation velocity, conduction failure, and firing rate metrics derived from spike train analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical work by modeling axonal communication dynamics relevant to neurodegeneration and neuroregeneration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for studying sensory neuron communication and co-culture systems across multiple therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in neuronal signal propagation.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through compartmentalized culture design and long-term stability.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of targets involved in circuit-based pathologies.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization through quantifiable axonal communication phenotypes linked to disease mechanisms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device handling, neuronal culture, and electrophysiological recording.
- Depends on access to microelectrode arrays, plasma cleaners, laminar flow hoods, and temperature-controlled recording systems.
- Necessitates cross-team standardization for consistent device alignment, cell seeding, and medium exchange protocols.
- Involves adaptation considerations when extending to different neuronal types or co-culture configurations beyond prefrontal cortex-derived cultures.
- Practical limitations include the technical complexity of microfluidic-MEA assembly and the need for specialized computational tools for spike propagation analysis.
