神経細胞の機能評価

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神経細胞の電気的な活動の評価は、従来難しく技能習得にも長期間を要しました。Maestro MEAでは、iPS細胞から分化した神経細胞、培養神経細胞などの電気的な活動の評価を、簡単に行って頂くことができます。

プレート底面に埋め込まれた複数の微小電極を用いて神経細胞の電気的な活動を測定します。試薬、侵襲電極を使用しないラベルフリーの測定で、神経スパイクの発生から同期バーストの形成まで、細胞の成熟に伴う電気的な活動の変化を、数週間~数か月に渡って追うことが可能です。測定されたデータは専用ソフトで解析し、様々な指標による解析結果が得られます。

 

神経電気生理学的評価に最適化した培地条件の検討

神経細胞の発火(活動電位)とシナプスの活性は脳内神経細胞の基礎的な特性とされています。しかしながら、Neurobasal® Medium、DMEM/F-12 等の一般的な培地での培養環境下においては、神経細胞の生存は保たれるが、培養内におけるシナプスの活性は抑制されることが報告されています(Bardy et al. PNAS, 2015) 。BrainPhysTM Neuronal Medium 1は、神経細胞が培養時もその電気的な活動を保持することを目的として開発されました。本事例では、iPS細胞由来神経細胞を、 2種類の培地 (BrainPhysTM : 緑・DMEM/F-12/NeuroBasal-A :グレー) で18週間に渡り培養し、電気的な特性を比較しています。

Neuro differentiation protocol
Raster plot shoring the firing patterns of neurons across 64 electrodes in a well of a MEA plate
Network bursts were detected at week 6

(A) 培養開始から18週間後に得られた神経スパイクのラスタープロット。黒点は検出されたスパイク、青色は、電極毎のバースト(各電極毎に5以上のスパイクが検出され、且つバースト内のスパイク間隔が100 ms 以下であることにより定義)を示す。ピンク色は電極間で同期したネットワークバースト(各 well 内の25%の電極から10以上のスパイクが検出。ネットワークバースト内のスパイク間隔が100 ms 以下であることにより定義)を示す。BrainPhysTM 培養下において、発火(スパイク)・バースト数が多く見られた。

(B) ネットワークバースト数の経時的な変化を示す。ネットワークバーストは培養開始6週間後から検出され、18週間後には114 (BrainPhysTM)、54 (DMEM-F-12/NB-A)に達した(いずれも10分間測定時) 。

データ提供 : STEMCELL Technologies,, Mak et al. 2016 presented at SfN2016

 

神経ネットワーク活動パターン -脳領域による差異の検証-

本事例では、Maestro MEA を用いて、脳領域毎の神経細胞の電気的活動の違いを検証しました。マウスの脳領域毎に初代神経細胞培養を作成し、培養開始から4週間後に細胞外電位を測定したところ、各培養神経細胞からは異なるスパイクパターンが得られ、異なるネットワークの形成が示唆されました。

 

Network spike train patterns of brain-region specific primary cell cutlures from embryonic murine tissue
Neuro characterization of brain region
Network spike train patterns of midbrain and frontal cortex specific primary cell cutlures from embryonic murine tissue

マウス胚芽組織の各領域 (前頭葉、海馬、中脳、脊髄 (DRG neuron)、視床、中脳+前頭葉共培養 )から分散培養を作成し、培養28日目に細胞外電位を測定した。図は60秒間の細胞外電位測定で検出されたスパイクのラスタープロットを示す。各領域ごとに特徴的なスパイクパターンが見られた。

データ提供 : Neuroproof GMBH, (Voss et al. 2014 presented at SfN2014)

Neural characterization protocol

iPS細胞由来神経前駆細胞 (XCL1-NPC) を、poly-L-ornithine (PLO) 処理した 6-well 培養デッシュ上で、STEMdiffTM Neuron Differentiation Mediumを用いて5日間培養した。

5日後、神経前駆細胞を分散し、PLO/ラミニンでコーティングされたCytoView MEAプレートに播種(30,000 cell/Cm2)した。

1日後、半量の培地を分化培地(BrainPhys™ Neuronal Medium + supplements: 1% N2 Supplement-A, 2% NeuroCult™ SM1 Neuronal Supplement, 20 ng/mL GDNF, 20 ng/mL BDNF, 1 mM db-cAMP and 200 nM Ascorbic Acid) に交換し、以降3-4日毎に半量交換を実施した。

Maestro MEAを用いて、37°C / 5% CO₂ の環境下で自発神経発火を測定した。測定は2週間毎に15分行い、測定データはAxis Navigatorにて解析した。

Mak et al. 2016 (SfN2016)より

 

 

multiwell microelectrode array (MEA) system in lab

 

Maestro Pro/Edgeによる神経細胞機能評価:特徴

  • ラベルフリー・リアルルタイムで細胞の電気的な活動を測定 - プレート底面の電極を用いて神経細胞の電気的な活動を検出します。ラベルフリー、リアルタイムな測定は、試薬など2次的要因によるゆがみがなく、細胞の状態をより正確にとらえます。

  • 神経細胞ネットワークの検出 - 複数の電極で同時に電気的活動を検出します。神経細胞の個々の活動のみならず、培養内に形成された細胞間ネットワークの活動を検出することができます。一度の測定で多くの情報が得られます。

  • 同一プレート上で培養から測定まで - MEAプレート上で細胞を培養し、細胞外電位を測定します。環境要因による変化を最小限にとどめながら、細胞への負担が少ない状態で、経時的な変化を検出することができます。

  • 簡単操作 - 電気生理未経験の方でも簡単にアッセイが行えます。MEAプレート上に細胞を培養し、装置に搭載するだけで、神経細胞の電気的な活動の測定が可能です。付属のソフトウエアパッケージで、測定、解析から論文などに必要な作表まで行うことができます。

Neural MEA technology

Neural MEA

 

What is a microelectrode array (MEA)?

Microelectrode arrays (MEA), also known as multielectrode arrays, contain a grid of tightly spaced electrodes embedded in the culture surface of the well. Electrically active cells, such as neurons, are plated and cultured over the electrodes. When neurons fire action potentials, the electrodes measure the extracellular voltage on a microsecond timescale. As the neurons attach and network with one another, an MEA can simultaneously sample from many locations across the culture to detect propagation and synchronization of neural activity across the cell network.

That’s it, an electrode and your cells. Since the electrodes are extracellular, the recording is noninvasive and does not alter the electrophysiology of the cells - you can measure the activity of your culture for minutes, days, or even months!

 


Watch the full video and discover if an MEA assay is right for your research.
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CytoView well bottom

An MEA of 64 electrodes embedded in the substate at the bottom of a well.

Rendering of cells growing over the electrodes at the bottom of the well

Neurons attach to the array and form a network. The microelectrodes detect the action potentials fired as well as their propagation across the network.

 

 

 

Brain waves in a dish

Neurons communicate with other cells via electrochemical signals. Many neural cell types form cellular networks, and MEAs allow us to capture and record the electrical activity that propagates through these networks.

Neurons fire action potentials that are detected by adjacent electrodes as extracellular spikes. As the network matures, neurons often synchronize their electrical activity and may exhibit network bursts, where neurons repeatedly fire groups of spikes over a short period of time.

The MEA detects each cell's activity, as well as the propagation of the activity across the network, with spatial and temporal precision. Patterns as complex as EEG-like waveforms, or "brain waves in a dish", can be observed. Axion's MEA assay captures key features of neural network behavior as functional endpoints - activity, synchrony, and network oscillations.

Action potentials recorded from electrodes

Action potentials are the defining feature of neuron function. High values indicate frequent action potential firing and low values indicate the neurons may have impaired function.

Synchrony reflects the prevalence and strength of synaptic connections, and thus how likely neurons are to generate action potentials simultaneously

Synapses are functional connections between neurons. Synchrony reflects the prevalence and strength of synaptic connections, and thus how likely neurons are to generate action potentials simultaneously on millisecond time scales.

Network oscillations, or network bursting, are defined by alternating periods of high and low activity

Network oscillations, or network bursting, as defined by alternating periods of high and low activity, are a hallmark of functional networks with excitatory and inhibitory neurons. Oscillation is a measure of how the spikes from all of the neurons are organized in time.

 

Do more with multiwell

Axion BioSystems offers multiwell plates, ranging from 6 to 96 wells, with an MEA embedded in the bottom of each well. Multiwell MEA plates allow you to study complex neural biology in a dish, from a single cell firing to network activity, across many conditions and cell types at once.