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理解神经退行性疾病如何在神经环路中起始并传播，仍然是神经科学领域中的一项根本性挑战。疾病最早期阶段发生于症状出现前数年，因此在患者体内难以开展研究。微流控平台中，神经元通过仅允许其轴突通行的微通道跨腔室进行通讯，这为实验研究开辟了新的途径。然而，现有模型缺乏足够的复杂性和精确性，无法追踪单个环路组分如何随时间对局灶性病理变化作出响应。 本文提出一种包含33个腔室的皮层网络芯片模型，该模型整合了来源于人诱导多能干细胞（iPSC）的兴奋性神经元、抑制性神经元和星形胶质细胞，并采用六层前馈式架构，重现新皮层的层状结构。β-淀粉样蛋白被全局施加，而在单个腔室中通过progerin诱导的加速衰老建立了一个明确界定的疾病核心。利用高密度微电极阵列进行连续记录，揭示了放电动力学和网络拓扑结构中呈进行性、层依赖性的变化。基于机器学习的特征分析识别出一种多参数电生理特征谱，可区分健康腔室与受疾病影响的腔室，从而能够研究病理变化首次变得可检测的最早时间点。这一研究建立了一个可扩展的框架，可用于神经退行性变的机制研究以及疾病进展电生理生物标志物的鉴定。
用于分层人类神经回路中神经退行性变时空解析的微流控平台 | bioRxiv
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用于分层人类神经回路中神经退行性变时空解析的微流控平台
Joel Kuchler， Areli Balderas Maza， Giulia Amos， Luc Jordi， Elena Durante， Yara Roth， Vaiva Vasiliauskaite， Magdalini Polymenidou， Benedikt Maurer， Kan Cao， Nicolai Winter-Hjelm
doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.10.737646
Joel Kuchler 1 苏黎世联邦理工学院；
Areli Balderas Maza 1 苏黎世联邦理工学院；
Giulia Amos 1 苏黎世联邦理工学院；
Luc Jordi 2 苏黎世大学；
Elena Durante 1 苏黎世联邦理工学院；
Yara Roth 1 苏黎世联邦理工学院；
Vaiva Vasiliauskaite 1 苏黎世联邦理工学院；
Magdalini Polymenidou 2 苏黎世大学；
Benedikt Maurer 1 苏黎世联邦理工学院；
Kan Cao 3 马里兰大学
Nicolai Winter-Hjelm 1 苏黎世联邦理工学院；
通讯作者： nwinte{at}ethz.ch
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摘要
理解神经退行性疾病如何在神经回路中起始并传播，仍然是神经科学中的一项基础性挑战。最早期阶段发生于症状出现前数年，因此无法在患者体内开展研究。微流控平台为此开辟了新的实验路径：在该平台中，神经元通过腔室之间的微通道进行通信，而这些微通道仅允许其轴突进入。然而，现有模型缺乏足够的复杂性和精确性，难以追踪单个回路组分如何随时间对局灶性病理变化作出响应。在此，我们提出一种包含 33 个腔室的芯片上皮层网络，该系统整合了来源于人 iPSC 的兴奋性神经元、抑制性神经元和星形胶质细胞，并采用六层前馈式架构，以重现新皮层的层状结构。淀粉样蛋白-β被全局施加，而在单个腔室中通过 progerin 诱导的加速衰老建立一个明确界定的疾病核心。利用高密度微电极阵列进行的连续记录揭示了放电动力学和网络拓扑中逐步出现的、层依赖性的变化。基于机器学习的特征分析识别出一种多参数电生理特征谱，可区分健康腔室与受疾病影响的腔室，从而能够研究病理最早在何时点变得可检测。该平台建立了一个可扩展的框架，可用于神经退行性变的机制研究以及疾病进展电生理生物标志物的识别。
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持有人为作者/资助方，其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。 本文依据 CC-BY-NC 4.0 国际许可协议 提供。
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发表于 2026 年 7 月 14 日。 下载 PDF 电子邮件
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Joel Kuchler， Areli Balderas Maza， Giulia Amos， Luc Jordi， Elena Durante， Yara Roth， Vaiva Vasiliauskaite， Magdalini Polymenidou， Benedikt Maurer， Kan Cao， Nicolai Winter-Hjelm
bioRxiv 2026.07.10.737646； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.10.737646
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用于分层人类神经回路中神经退行性变时空解析的微流控平台
Joel Kuchler， Areli Balderas Maza， Giulia Amos， Luc Jordi， Elena Durante， Yara Roth， Vaiva Vasiliauskaite， Magdalini Polymenidou， Benedikt Maurer， Kan Cao， Nicolai Winter-Hjelm
bioRxiv 2026.07.10.737646； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.10.737646
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.10.737646v1?rss=1
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