脳内には複雑な神経回路網が多数存在し、独自に或いは相互に連携しながら機能しています。更に、神経システム内の回路網は、他の様々な生物学システムと相互に作用しながら人体の生命活動を機能させています。中央分離形状のインサートを使用した in vitro モデルにより、２つの神経回路網、或いは細胞集団の機能的結合を検証することが可能です。
Axion BioSystems の Maestro Pro/Edge システムでは、シリコン製インサートを用いて同一 well 内に２つの神経共培養を作成し、機能的ネットワークの形成を追うことができます。神経回路網 (培養) 間の機能的結合や、シナプス伝達の遮断効果の検証に有用です。
中央分離形状のシリコン製インサート (ibidi, カタログ番号 80209) を CytoView MEA 6-well プレートの well 内に設置し、２つの皮質神経細胞培養を作成しました。培養開始から7日後にインサートを除去し、更に継続して神経細胞を培養しました。インサート除去から３日後、２培養の間隔（細胞非播種）部分に神経突起の伸長が見られました。インサート除去から10日後には、各神経回路網（培養）から同期した電気的な応答が得られ、機能的な結合が示唆されました。
(A) Well 内に設置されたシリコン製インサート。各コンパートメントにそれぞれ細胞を播種・培養し、48時時間後にインサートを除去した。
(B) インサート除去から10日後のwell内の様子。細胞非播種部分への、神経突起の伸長が見られた。
(C) 特定 well から得られたActivity map。各 Network (培養) の活動に同期が見られた。
(D) 培養開始から17日後に得られたスパイクラスタープロット。Network 1 (培養１)、Network 2 (培養２）がそれぞれ独立してバースティングした後、well 内で同期したバーストが見られた。
Maestro Pro/Edge によるアッセイは非常に簡単です。
事前コーティング処理された CytoView MEA 6 well プレートの各 well内に、中央分離形状のインサート (ibidi, カタログ番号 802029) を設置します。各コンパートメントに細胞を播種し培養を開始します (Day 0)。
細胞が MEA プレート底面に接着していることを確認した後 (1～７日後) 、インサートを除去します。
装置上の温度・CO₂ 濃度コントローラを作動させ、MEAプレートを搭載し、ラベルフリーで測定を行います。測定後は付属のソフトウエアで解析します (Day 2+)。
Maestro Pro/Edgeによる神経回路網と相互作用の検証：特徴
ラベルフリー・リア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活動電位をリアルタイムに測定します。神経ネットワークを維持した状態で、試薬などの２次的要因によるゆがみもなく、細胞の経時的な変化をより正確にとらえます。
長期測定 - 試薬・侵襲電極を用いないラベルフリーの測定は、長期間に渡る細胞の発達、変化などの検証に最適です。数週間から数か月間に渡って細胞の変化を追うことができます。
安定した環境下での実験 – 温度・CO₂ 濃度は、装置搭載のコントローラで自動制御されます。また、Maestro は外来ノイズ・振動に影響されにくい設計になっています。常に安定した環境で実験に望めます。
細胞可視 – CytoView MEAプレートの底面は透明になっており、細胞の観察が可能です。
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活動を検出し、その変化を評価することができます。一度の実験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実験が行えます。MEAプレート上に神経細胞を培養し、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。
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!
An MEA of 64 electrodes embedded in the substate at the bottom of a 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.
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 are the defining feature of neuron function. High values indicate frequent action potential firing and low values indicate the neurons may have impaired function.
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, 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.
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.
