实现亚细胞/单细胞/群体细胞多水平电生理检测的高效方法
MEA是利用阵列排布的电极对神经元或其它放电细胞进行胞外电信号记录的方法。相对于膜片钳，MEA的优点是操作简单，能够同时记录大量细胞，并且支持对细胞的长期检测。
传统MEA电极数一般小于300个，电极密度很低，这在很大程度上限制了MEA这一电生理技术的优势。原属于瑞士苏黎世联邦理工大学的MaxWell团队开发了基于CMOS（互补金属氧化物半导体）的高密度MEA，在电极密度上实现质的飞跃——在2×4mm² 范围内集成多达26400个电极, 两个电极的间距仅17.4um,几乎跟单个细胞的大小一样，可对离体组织进行高分辨率的功能检测，并提供亚细胞，单细胞，神经环路，神经网络等水平上的丰富信息。
高密度MEA的主要技术特点
1. 可检测样品中每一个细胞，并得到每一个细胞各自的信号以及空间位置信息
上图可以看到高密度MEA与低密度MEA的对比，低密度MEA中相当大部分的细胞（红色框内）是无法被记录到的，另一个问题是通常一个电极会记录多个神经元，要将这些神经元各地的信号分选出来，只能利用特征值进行sorting，十分耗时耗力。
而在高密度MEA中，一方面，不存在检测盲区，因此可以检测到样品中几乎所有细胞的活动，相比通过膜片钳或者低密度MEA进行的抽样分析，数据在统计学上的可靠性大大增加。
左图为荧光成像显示的细胞位置，右图为同一样本利用高密度MEA检测到的细胞放电图，（红=高频，蓝=低频），两者显示出非常高的位置重叠性。
另一方， 由于高密度MEA中任何单个细胞的信号都被周围数个电极所记录，因此其数据既包含放电的时间信息，也包含空间信息，因此适合于采用kilosort等新的sorting方法更快速地完成细胞分选。
2. 可进行network的研究
神经细胞、心肌细胞都是需要形成细胞网络然后一起完成某种功能，大量细胞呈现出的network情况也可以反应细胞的成熟度，并与很多疾病密切相关。
上图每一行代表一个细胞，每一个点为一个spike，可清晰看到细胞网络出现规律性的Burst放电。
3. 可进行circuit水平的研究
通过传统膜片钳方法研究几个神经元间的连接环路时，通常需要利用多Patch钳制每个细胞，技术要求高，也十分耗时耗力，并且只能看到这几个细胞间的连接，效率比较低下。
高密度MEA在sorting得到的每一个神经元的spike信息的基础上，通过大数据分析每两个神经元间spike的相关性（兴奋性：正相关，抑制性：负相关），可轻松判断这两个神经元之间是否存在兴奋性或抑制性连接，以此高效地分析整个神经网络中的神经环路。
上图显示经过分析得到的兴奋性连接（红色）和抑制性连接（蓝色）
4. 可进行亚细胞水平的观测
借助高密度MEA超小的电极尺寸，我们甚至可以捕捉并记录到单个细胞不同部位的放电时间和幅度，由此可以在不加任何生化标记物的情况下分析电信号产生的位置，轴突的位置、长度、范围等信息，也可测量电信号在轴突上传播的速度等指标，而这些指标通常难以测量，这一技术被称之为Axon Tracking。
5. 可在单细胞或亚细胞水平上精准刺激
高密度MEA的每一个电极都可以给出电压、电流刺激，形成细胞间的双向信息交流。由于具有足够高的电极密度，可以在亚细胞水平上给出刺激，帮助找到合适的刺激位点，实现以很小的电流或电压强度精确刺激单个细胞或者细胞的胞体、突触等亚细胞结构。
高密度MEA的应用方向
高密度MEA可应用于多种生物样本：
1. 培养细胞
a-培养神经元
b-iPSC诱导神经元
c-培养心肌细胞等
2. 3D组织
a-急性或培养脑片
b-视网膜
c-Organoid类器官等
01.iPSC诱导神经元上的研究
上图显示iPS诱导的多巴胺能神经元神经网络的形成，以及疾病模型细胞与对照组细胞形成burst的差异。绿色为对照组，红色为疾病模型组，蓝色框内为Astrocyte共培养。
上图显示利用电信号检测获得的细胞突触的发育过程。
上图显示疾病模型iPS诱导神经元在DIV25天时轴突传播速度明显小于对照组正常细胞。
02.Organoid类器官的研究
上图显示人源iPSC诱导的大脑类器官在高密度MEA上记录到的信号。
03.脑片上的研究
上图显示海马脑片上诱导癫痫发作时的单细胞放电与场电位扩布情况。
04视网膜研究
上图显示视网膜上记录的电信号，以及利用这些信号筛选出的对不同方向光刺激响应的细胞。
小 结
高密度MEA同时具有高通量和高精度的特点，适合于多种生物样本，提供了从亚细胞水平到细胞网络水平的丰富多样的检测指标，可广泛应用于神经网络基础研究、药物筛选、iPS诱导神经元检测、疾病机制研究等多种实验当中。
