神経オルガノイド

Neural organoid in an MEA well
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神経オルガノイド (ミニ・ブレイン) などの3D神経モデルは、脳の複雑な多層構造や、in vivo 組織と類似した発達曲線を有することが示され、近年その優位性が議論されています。

Maestro Pro/Edgeは神経オルガノイドの機能評価に最適です。プレート底面の平面電極を用いて電気的な活動を検出するMEAでは、神経オルガノイドの複雑な構造を保持したまま、長期間に渡り、成熟に伴う電気的な活動の発生・変化を簡単にとらえることができます。疾患モデルとの比較などにも適しています。

 

脳オルガノイドからの脳振動波形の検出

 

 

自閉症、統合失調症などの発達傷害は、脳の発達時に起源があると考えられています。しかしながら、ヒト脳の発達を研究することは困難で、良い研究モデルもありません。Alysson Mutori 教授 (UC San Diego) は、「ミニ・ブレイン」とも呼ばれる脳オルガノイド内における神経ネットワークの発達が、初期のヒト脳形成時の発達と類似していることを発見しました。“Cell Stem Cell” 誌で発表された本研究は、New York Times、NPRなど一般メディアでも紹介され、大変話題になりました。

 

脳オルガノイドの神経機能評価

 

iPS細胞由来神経細胞から作成された脳オルガノイドを MEA プレート上に培養し、電気的な活動を測定します。プレート底面に埋め込まれた複数の微小電極により、オルガノイドから自発的な神経活動(スパイク)が検出され、成熟に伴いより複雑なネットワークとしての活動が検出されます。ラベルフリーの測定で、長期間に渡り活動の変化を検証することも可能です。

 

Activity map displaying instantaneous firing rate of four wells with multiple cerebral organoids in each well.
Continuous voltage data recorded from four electrodes in one well. Activity is recorded from different sites on the same organoid.
Well-wide raster plot showing activity across all 16 electrodes and synchronous network bursting.

(A) MEAプレート上に 培養された脳オルガノイドから得られた発火頻度は、瞬時にActivity mapとして表示されます。電気的な活動の状態が簡単にリアルタイムで確認できます。本例は4 wellに培養された4つのオルガノイドの Activity mapを示しています。

(B) 特定 well 内の4電極から得られた生データ (細胞外電位) 。同一オルガノイドから複数の電極で電気的な活動を検出します。

(C) Well内の16電極から得られたスパイク発生時間を示したラスタープロット。水色は電極バースト、オレンジ色は well 内で同期したネットワークバーストを示し、神経ネットワークとしての活動を示唆しています。

データ提供 : Maestro ユーザー様

Neural organoids protocol

Maestro Pro/Edge によるアッセイは非常に簡単です。

事前コーティングされたMEAプレート上に直接神経オルガノイドを培養します (Day 0)。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 1+)。

Download Protocol

 

 

multiwell microelectrode array (MEA) system in lab

 

Maestro Pro/Edgeによる神経オルガノイド機能評価: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活動電位を測定します。ラベルフリー、リアルタイムな測定で、試薬など2次的要因によるゆがみがなく、細胞の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。

  • 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。

  • 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。 

  • 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。

  • 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プレート上に神経オルガノイドを培養し、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.