高密度MEA（HD-MEA）是一种基于COMS芯片加工技术的离体微电极阵列记录设备。其特点是在4x2平方毫米面积上分布有26400个记录位点，这样高的电极密度足以获取样品中几乎每一个活细胞的放电，并且能够记录到神经突起等亚细胞结构的电活动。
HD-MEA 自带的软件包含了完整的数据分析模块，只需要简单地点击软件按钮就能获得神经元放电、神经网络burst发放和神经元轴突功能相关的大量读数，能够满足iPSC诱导神经元、brain organoid和急性脑切片等相关的病理与药理基础研究。这样的应用可以快速上手，简单快捷。另一方面，作为一款能够提供海量信息的设备，HD-MEA的应用潜力绝不仅限于此。结合同步化的多模态记录和刺激，在HD-MEA上可以开发出很多创新性的实验方法，解决过去难以解答的科学问题。在往期文章中，我们介绍了HD-MEA与膜片钳结合的实验方法（高密度MEA与膜片钳结合揭示神经网络中神经元自发动作电位的发放机制）。这次我们看一下HD-MEAs和光学系统结合的可能性，包括在HD-MEA上记录的同时进行钙成像和光遗传刺激。
结合钙成像进行大规模单突触研究
单突触连接使神经元之间可以发生信息流动，而信息传递的接触点是突触，兴奋性输入的突触后成分被称为“树突棘”。树突棘如何形成、发育和行使功能，突触前和突触后的神经元如何通过树突棘产生功能上的连接，又如何对树突棘产生可塑性的影响，这些都是神经科学领域中既基础又重要的问题。
然而，长久以来缺乏研究方法可以同时获得突触前、突触后以及单突触的功能信息。为了解决这一困难， 瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的Julian Bartram教授在《Journal of Neural Engineering》上发表的“Inferring monosynaptic connections from paired dendritic spine Ca2+ imaging and large-scale recording of extracellular spiking”中构建了一种通用的方法，可以实现突触前、突触后神经元以及单突触活动的大规模同时记录。
这一方法使用了大鼠原代培养的神经元，种植于HD-MEA芯片，由于其超高的电极密度，培养物中几乎每一个活细胞的动作电位都可以被记录下来，这是该方法能够实现的关键。芯片上的神经元稀疏表达GCaMP蛋白，由于HD-MEA不透明，因此采用正置的共聚焦显微镜可对芯片上的神经元进行钙成像。
图1. 确定某个树突棘的突触前细胞的方法
图1. C显示了芯片上神经元的钙成像，可观察到单个树突棘，并获取单个树突棘的钙信号曲线。在钙成像的同时进行HD-MEA信号记录，经过sipke sorting可获取样品中几乎所有活细胞的单细胞放电时序信息。D图，从每个单细胞的发放时序模拟出其突触后单个树突棘的钙信号。E图，将每个细胞得到的模拟信号与真实信号进行相关性分析，相关性最高的细胞推断为这个树突棘的突触前细胞。
这一方法的可靠性经过多种方式的检验，可成为一种通用方法，提供突触前、突触后发放以及单个突触活动的信息，同时由于HD-MEA 检测对细胞无伤害，可以进行长期的检测。该方法非常适合于突触发育和突触可塑性等方面的研究。
图2. HD-MEA结合钙成像研究单突触的应用方向
DOI 10.1088/1741-2552/ac8765
结合钙成像研究网络中神经元的机械感受性
最近发表在Nature nanotechnology上的这篇文章，研究了机械刺激引发的神经元响应。在这一工作中，研究人员也使用了HD-MEA与钙成像结合的方法。这是由于单纯的电生理方法难以观察到神经元亚细胞结构对机械刺激的响应；而单纯的钙成像则难以获得刺激瞬间细胞在精准时间上的发放。此外，相比于膜片钳，HD-MEA能够提供细胞被刺激后长时间的记录。
图3.在单个神经元上施加一个机械刺激，诱发的神经元动作电位和钙信号变化。
DOI 10.1038/s41565-024-01609-1
文中作者将直径为5μm的珠子粘在悬臂上，在神经元胞体上进行压进，直到检测到∼200 nN（∼5 kPa）的设定压强， 然后立即缩回（图3.c）。在达到设定值力时。神经元表现出持续几秒钟（τ = 26. 2 s）的钙反应（图3.d.）。同时在几个电极上检测到去极化事件（图3.e-g）。
结合光遗传学研究轴突动作电位的跳跃式传导
髓鞘纤维是一种特殊的神经结构，用于快速可靠地传导动作电位，从而辅助神经功能。尽管脱髓鞘导致严重的功能障碍，但髓鞘结构变化与髓鞘形成和脱髓鞘形成过程中传导速度增加之间的关系尚不清楚。东京大学的精密工程系的Kenta Shimba 在Frontier Neuroscience发表的“Recording Saltatory Conduction Along Sensory Axons Using a High-Density Microelectrode Array”一文，首次结合HD-MEA和DMD（数字微镜）系统进行髓鞘功能的检测，具有开创性的意义。
文中使用了培养于HD-MEA芯片上的DRG神经元，并使其表达光敏感蛋白。由于DRG神经元通常很少自发放电，作者通过DMD系统控制光斑进行光遗传学刺激，任意激活单个DRG神经元。同时利用HD-MEA对单个DRG神经元的轴突的电信号进行记录。
图3. HD-MEA上记录到的单个DRG神经元胞体及轴突上的电信号，并可从电信号推断轴突的空间走向
图4. 时空分析表明，部分轴突节段的传导速度超过2 m/s，提示发生了跳跃式传导。
DOI 10.3389/fnins.2022.854637
相关讲座可见往期公众号：
大鼠感觉神经元轴突的高时空分辨率评估
总 结
本期分享的这几篇论文体现了HD-MEA结合正置共聚焦显微镜、数字微镜等光学系统的可能性。虽然HD-MEA不透光，但依然很适合与各种光学系统结合，并实现大规模长时程电生理记录与钙成像、光遗传刺激的结合。
通过这种结合，我们可以：
同时获取突触前、突触后神经元及单突触的活动信息，研究三者间的关系；
结合钙成像的亚细胞活动信息和动作电位的高时间精度信息，在多个维度下观察神经元的活动；
对缺少自发放电的细胞，可通过光遗传来进行激活；
通过光遗传精准激活单个神经元，并通过HD-MEA信号观察其激活对神经环路的影响；
通过光遗传蛋白的特异性表达，在HD-MEA单细胞信号中区分神经元的亚型。
这样的多系统结合应用无疑可以激发更多的可能性，并提供了巨大的想象空间，等待进一步的探索与开发。
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