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技术资料/正文
应用解读 | Cell Stem Cell 向阳飞团队构建人类延髓脊髓三叉神经核与丘脑的体外通路
77 人阅读发布时间：2026-03-02 09:11
脑类器官技术 (brain organoid) 已从早期非特异性的“大脑样结构” (cerebral organoid)，快速发展到区域特异 (region-specific) 与多区域融合 (assembloid)，但“核团级 (nucleus-specific identity) ”精度的模型长期稀缺，尤其是延髓等关键生命中枢。脊髓三叉神经核 (Spinal Trigeminal Nucleus, SpV) 位于脑干的延髓背侧，是三叉神经复合体的重要组成部分，承担将头面部痛觉、温度感知等外周感觉信号上行至丘脑的关键中枢。由于延髓谱系在体外难以精准诱导、核团级分化门槛高，且缺乏能验证方向性、诱发性、因果性的通路级功能工具，人源脊髓三叉神经核→丘脑通路模型存在明显研究空白。
本研究通过WNT激活 + 视黄酸尾端化的组合诱导，定向获得具有脊髓三叉神经核特征的延髓背侧谱系人源类器官 (hmSpVO)，并进一步与丘脑类器官 (hThO) 融合，构建脊髓三叉神经核–丘脑组装体 (hmSpVO-hThO) 。为验证该投射是否具备真实的方向性与功能性，作者使用3Brain 高密度3D微电极阵列平台 (3D HD‑MEA) (BioCAM DupleX 仪器 + CorePlate 3D 芯片 + BrainWave5 软件)，在脊髓三叉神经核侧施加局部电刺激、在丘脑侧进行跨区域记录，捕获到“刺激脊髓三叉神经核→丘脑侧出现时间锁定的诱发动作电位” (evoked spike) 这一因果式电生理响应，从而确认该体系在体外成功重建了具有生理方向性的三叉–丘脑感觉上行通路。
综上，本研究首次在体外实现人源核团级建模与感觉上行通路重建，为疼痛、偏头痛、三叉神经痛等相关疾病的机理解析与通路级药效评估提供了新平台。相关成果于 2024 年 10 月发表在 Cell Stem Cell（IF = 20.4）。
3D HD-MEA验证脊髓三叉神经核→丘脑的方向性投射
3Brain 的高密度3D微电极阵列（4096 通道、60µm 电极间距、3.8×3.8mm²感应面积）实现了类器官中的精准定位刺激与全阵列自发放电记录 (full-array spontaneous recording)。借助其立体电极结构，该系统可轻微渗入类器官表层并在组织原位 (in situ) 直接耦合类器官内部神经元 (图1A），获取来源明确的细胞外动作电位 (spikes)。
在本文中，作者在脊髓三叉神经核侧以微米级电极实施局部刺激 （图1A），并在丘脑侧同步记录到清晰的诱发动作电位 （图1B），从而建立跨核团的毫秒级投射通路（图1C）。高密度电极带来的空间采样能力，使信号在类器官截面上的传播路径得以高分辨率呈现；毫秒级时间分辨率则进一步量化了刺激‑响应的潜伏期与传播方向有助于区分局部放电事件与更大尺度的网络动态。
图 1｜3Brain 3D HD‑MEA验证脊髓三叉神经核→丘脑诱发‑响应。
(A) 三叉神经核–丘脑组装体的记录场景，可见组装体直接贴附在3D电极阵列上，实现原位测量。
(B)丘脑侧记录到的平均放电频率随时间的变化。当在三叉神经核区域施加局部电刺激（共十次）时，丘脑侧立即出现频繁而时间锁定的动作电位峰值，其幅度与密度均明显高于刺激前。
(C) 对基线与刺激条件下的丘脑放电频率进行配对比较，结果显示刺激条件下的平均放电率明显升高。
3D HD-MEA实验流程
01. 样本接种
脊髓三叉神经核–丘脑组装体直接铺设于 3Brain BioCAM DupleX平台搭配的CorePlate 3D芯片上，芯片表面覆盖一层透明聚酯膜滤片以确保样本充分贴合并获得稳定接触。随后，将组装体静置20min以完成沉降与原位固定。
02. HD‑MEA 数据采集（在BrainWave 5中配置）
刺激设置 | 在三叉神经核侧选取电极作为刺激点，并将相邻的两个电极设为正极、另两个相邻电极设为负极，两极之间间隔一个电极以形成局部化且稳定的刺激场。刺激参数设定为脉冲时长 50ms、刺激强度 65µA，共施加10次刺激、每次间隔 10s。
记录阶段 | 位于丘脑侧的多通道电极用于同步并行记录神经活动，系统会自动同步保留所有刺激触发的时间戳，便于后续进行刺激-响应对齐分析。
03. 数据分析
原始数据在BrainWave5 软件中完成全套预处理与分析流程，包括以 100Hz 高通滤波去除低频漂移与慢波信息，并使用内置算法进行spike检测与分拣。随后，以刺激事件作为时间零点，将刺激前后窗口对齐，用于量化诱发响应的平均放电率（MFR）、刺激‑响应的潜伏期与重复性指标；并通过比较基线与刺激条件条件下的放电差异 （图1C）验证功能性连接。
讨论与展望：
随着核团级类器官和通路级类联合体的兴起，类脑研究正在从关注细胞类型与结构特征，迈向关注信息如何在体外模型中被编码、传递与调控。在这一代际转变中，模型的价值不再由“像不像真实组织”决定，而是取决于它是否能以功能方式参与神经计算：能否被刺激？能否产生可量化的响应？能否体现生理方向性？能否作为通路级药理学的读出窗口？
这种转变让 3Brain 3D技术平台的角色变得尤为关键——它不是一个记录工具，而是功能类器官和神经通路模型得以成立的基础接口。HD‑MEA提供的刺激‑响应能力、跨区域时序解析以及通路级readout，使类器官由“结构模型”升级为真正的“功能单元”。无论研究对象是三叉‑丘脑通路、皮层‑丘脑互作，还是 CGRP、5‑HT这类药物在体外通路上的作用模式，3Brain 提供让这些问题可观察、可验证、可迭代的研究能力。
参考与图片来源
Pang, W., Zhu, J., Yang, K., Zhu, X., Zhou, W., Jiang, L., Zhuang, X., Liu, Y., Wei, J., & Lu, X. (2024). Generation of human region‑specific brain organoids with medullary spinal trigeminal nuclei. Cell Stem Cell,31, 1501–1512.
END
3Brain 链接未来，加速药物发现
