高密度微电极阵列技术 — MaxWell

细胞电生理技术作为一种在实践中形成的，具有可操作性的电生理检测方法，可以在同一时间采集到多量细胞的动作电位，对于深化研究大脑神经细胞及其网络的工作原理，研发新的神经修复技术有很大的意义。近年来快速发展的神经细胞电生理技术主要有两种类型：膜片钳技术 ( PCRT ) 和在体多通道微电极阵列神经信号技术 ( M-NEMEA )。

传统膜片钳技术对工作台的机械稳定性要求较高，维持长时间记录难度较大；无法测知细胞静息膜电位的大小；更换内外液比较困难。对于普通使用者来说，练习至能够熟练上手膜片钳需要的时间长，培训成本太高。

MaxWell 细胞生物电信号功能成像系统 基于HD-MEA的高密度微电极阵列技术，相较于传统微电极阵列神经信号技术具有更高分辨率。MaxWell生物芯片，是目前世界上Z先进的电生理信号读取平台之一，可用于体外细胞电信号的读取和电刺激实验。

基于 CMOS 传感器技术制造的高密度微电极阵列（HD-MEA）系统，MaxWell 生物芯片是在单个MEA芯片内，整合了功能强大的信号放大器、滤波器和数字化仪集成电路，可用于芯片上的细胞生物电信号记录。芯片上每个细胞可以被多个电极记录或给予电刺激，可用于单细胞活动、以及整个细胞网络动态的长期监测。

通过记录细胞活性，在MEA上确定细胞定位。下图显示荧光染色后显微镜下的细胞位置（ MAP2染色神经元细胞，放大系数10x）和 MaxOne 芯片检测到的生物电信号的细胞位置紧密相关。生物电信号电子图像在提供细胞的位置的同时，可以检测多种细胞活性特征，包括活动频率和振幅。

智能细胞群体信号记录

单细胞长期追踪

通过选用细胞信号尖峰率，振幅等细胞信号参数组合定义单个细胞特性。栅格图展示了利用1,024个电极检测到的神经细胞网络活动的动态变化。

轴突电信号追踪

通过分析细胞生物电信号成像，研究亚细胞结构特征，例如单个神经元的轴突。生物电信号成像分辨率极高，甚至可以追踪动作电位在轴突上的传导过程中速度的变化。这项技术为神经突电信号传导提供更新的研究参数。

应用领域

• 可放置在细胞培养箱内进行实验检测；

• 可用于活体组织切片实验；

• 可使用直立显微镜进行检查；

• 可用于不同生物学体外检测（视网膜，脑切片，诱导干细胞或细胞培养等）。

一、干细胞诱导神经元

通过生物电活动信号获取iPSC诱导神经元细胞活动的高分辨率成像。

MaxOne可记录整个样本的多个神经元活动和无需任何标记的电信号成像。使用MaxOne获得的细胞外动作电位（EAP）活动图提供了以下信息：

• 产生自发性电信号的细胞位置
  

• EAP细胞外电信号的振幅幅度

• 细胞动作电位活动频率。

研究细胞成熟度和放电活性

可同时检测数百个iPSC干细胞诱导神经元细胞的动作电位沿着轴突传播的情况。MaxOne用高质量的信号和前所未有的高时空分辨率来检测神经元的电生理活动，甚至可检测单个神经元细胞动作电位沿轴突传播的情况。

• 检测单个神经元动作电位在不同生长天数内的在轴突传播速度变化。

• 分析动作电位在轴突上的传导速度。

• 比较健康和疾病模型细胞之间的轴突动作电位传播速度。

二、视网膜实验研究

动作电位信号分类

多电极同时检测同一视网膜神经节细胞（RGC）的动作电位信号。电极位置提供了额外的空间信息，提高了信号分类的准确性。

检测视网膜神经节细胞（RGC）的感光功能

读取并识别MEA上的每个视网膜神经节细胞的所属类型。可以使用MaxOne记录和分析MEA上每个视网膜神经节细胞（RGC）的感光响应。

MaxOne的信噪比+高时空分辨率使分析RGC细胞轴突信号成为可能。通过用静态灯闪烁给视网膜不同的视觉刺激，激发不同RGC细胞相应的电生理活动，并区分RGC细胞类型：ON类型，OFF类型或ON-OFF类型。可以通过移动光刺激来激发方向选择性RGC的生物电信号反应。

三、脑切片实验研究

捕获单个神经元细胞和神经细胞网络的场电信号

用MEA技术记录活跃神经元细胞高质量的生物电信号。

• 可以同时记录来自完整神经细胞网络的局部场电位和动作电位信号。
  

• 低噪声信号有助于从实验中提取神经元活动特征。

• 可以捕获和分析在大脑区域间传播的局部场电位信号。

大规模神经元及突触投射的电生理成像

神经元动作电位信号的分类组织切片固定装置提取并分析脑组织中每个活动神经元的动作场电位，轴突投射和突触后信号。MaxOne不但可以检测脑切片中的神经元动作电位信号，同时还可以通过电刺激激发神经元活动。

• 读取并提取脑切片具有神经元活性的区域，并绘制神经元动作电位信号活动成像图。
  

• 可以通过记录并分析由动作电位信号激发后形成的+/-波幅峰值对神经元突触后细胞活动进行描绘。

四、心肌细胞研究

使用高分辨率功能量化分析药物对心肌细胞的影响。

MaxOne可提取电生理特性，如振幅，频率和波传播。

• 找到细胞群生物电波的传播原点，并测量波的传播方向。
  

• 可通过记录前所未有的数据细节，在数天内连续检测野生型心肌细胞活动特征。

• 检测健康心肌细胞对药理学实验的短期和长期反应。

众多出版物刊登该项技术

在Nature，Neuron等ding级学术期刊多次刊登过利用该项技术攥写的实验文章。

出版物涉及 hd-mea 技术、神经元网络记录以及对心肌细胞、视网膜细胞、脑切片和神经元的研究。

MaxWell 细胞生物电信号功能成像系统 使用的 Cmos 技术可显著减小放大器的尺寸, 使得在同一芯片上将电路与每平方毫米数千个电极集成在一起成为可能，让细胞 (甚至亚细胞) 级分辨率实验得以实现。这将大大提高电生理学实验的可操作性，让原本程序繁杂的操作得到简化，成倍地提高研究人员的实验效率。

（来源：广州云星科学仪器有限公司）