微小電極アレイ(MEA)
- Orange Science
- 3 日前
- 読了時間: 16分
更新日：2 日前
微小電極アレイ(MEA)とは
微小電極アレイ（Microelectrode Array, MEA）とは、複数の微小な電極を規則的に配置した装置で、生体組織や細胞からの電気的な活動（例えばニューロンの発火など）を同時に多点で記録・刺激できる技術です。
微小電極アレイの特徴
非侵襲的に複数点の電気活動を同時計測可能
長期間の記録が可能（細胞培養と組み合わせて）
高時間分解能（通常、マイクロ秒～ミリ秒単位）
微小電極アレイ使用の目的
微小電極アレイ（MEA）の使用目的は、多点での電気的活動の記録・刺激を通じて、生体電気信号を高解像度で空間的・時間的に捉えることにあります。特に、神経科学や心臓生理学、創薬・毒性評価などで活用されています。
主な使用目的
1. 神経活動の多点同時計測
ニューロンの**スパイク発火（活動電位）や局所場電位（LFP）**を記録
神経ネットワークの同期性、伝播経路、発火パターンを評価
例：海馬スライスでのLTP（長期増強）研究
2. 薬理応答の評価（創薬・毒性試験）
神経細胞や心筋細胞に薬剤を投与し、電気的応答をリアルタイムで観察
毒性や副作用の早期スクリーニングに利用（動物実験の代替）
例：抗てんかん薬の候補物質が異常発火を抑制するかを検証
3. 発達・疾患モデルの電気生理的解析
発達過程の神経ネットワークの形成・変化を追跡
パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉スペクトラム症などのモデルで異常活動の検出
例：アルツハイマーモデルマウス由来のニューロン培養でシナプス異常を定量化
4. 心筋細胞の電気活動記録（心毒性評価）
iPS細胞由来心筋細胞などを使って拍動パターン、伝導速度、QT延長などを測定
例：hERGチャネル阻害による心毒性の検出（ICHガイドライン準拠）
5. 刺激と応答の因果関係解析
特定の電極から電気刺激を与え、他の電極で応答を測定することでシナプス結合の強さや経路を推定
例：皮質–視床回路の双方向結合を可視化
6. Brain–Computer Interface (BCI)・ニューロモルフィック研究
MEAを用いて、生体神経と電子回路のインターフェースとして使用
ニューロン活動のリアルタイムデコードや機械学習との統合研究
微小電極アレイを使用するのメリット
微小電極アレイ（MEA）を使用するメリットは、「非侵襲的かつ高時間・空間分解能で、複数点の電気活動を同時に観察・制御できる」ことにあります。従来の単一電極やパッチクランプ法と比較して、多細胞・多点記録、長期観察、in vitro毒性評価などに大きな利点があります。
微小電極アレイ（MEA）の主なメリット
1. 非侵襲的な多点記録が可能
細胞膜を破る必要がなく、生きたままの細胞や組織からの電気活動を長期間観察可能
同時に数十〜数百箇所の活動を記録できる（並列性）
例：神経細胞のネットワーク全体の同期発火をリアルタイムで観察
2. 長期観察が可能
細胞やオルガノイドをMEA上に培養し、数週間から数ヶ月にわたる記録が可能
神経ネットワークの発達過程、可塑性、病態の進行を観察できる
例：アルツハイマー病モデルの神経活動変化を長期追跡
3. 時間分解能が高い（高い時系列精度）
µs〜msレベルの高速データ収集が可能
活動電位の発火タイミングや伝播の順序を正確に捉えられる
4. 空間分解能が高い（複数の部位を同時観察）
多点電極により、信号の空間的な分布や伝播パターンを明らかにできる
例：てんかん発作の焦点からの波及パターン解析
5. 刺激も可能（記録＋操作）
一部の電極から電気刺激を与え、シナプス結合や伝導路の機能を検証可能
例：海馬スライスで入力領域を刺激し、出力領域の応答を記録
6. in vitroモデルでの薬理学的評価に最適
動物実験を減らしつつ、薬剤の効果や毒性を網羅的に評価可能
FDAやEMAもMEAを心毒性評価（hERGアッセイ等）に推奨
7. データの再現性と自動解析がしやすい
市販システムでは高精度な記録・解析ソフトウェアが付属
膨大なスパイクデータもアルゴリズムで自動処理・可視化可能
微小電極アレイに関連する研究
微小電極アレイ（MEA）に関連する研究は、神経科学、心臓生理学、薬理学、幹細胞研究、疾患モデル研究など、多岐にわたります。
1. 神経科学におけるMEA研究
神経ネットワークの動態解析
培養神経細胞や脳スライスを用いて、スパイク活動、同期発火、ネットワーク可塑性などを記録。
発達過程の観察や学習・記憶の基礎となるLTP/LTDの測定に活用。
例：海馬スライスでLTP誘導後の神経活動の空間分布変化を解析
神経疾患モデルの機能評価
アルツハイマー病、てんかん、自閉スペクトラム症（ASD）、パーキンソン病などのモデルで異常な神経活動を検出
例：ADモデルマウス由来の神経培養でスパイク数の低下や発火リズムの変化を記録
2. 創薬・毒性試験研究
CNS薬のスクリーニング
神経細胞に薬剤を投与し、電気活動（スパイク、バースト）への影響を定量評価。
例：抗てんかん薬が異常発火をどの程度抑制するかをMEAで検証
心毒性（Cardiotoxicity）評価
iPS細胞由来心筋細胞とMEAを組み合わせてQT延長や不整脈様活動の検出を行う。
例：ICHガイドライン S7B に沿った医薬品の心毒性評価研究
3. 幹細胞・オルガノイド研究
脳オルガノイドの機能評価
iPS細胞やES細胞から作製した脳オルガノイドの自発的電気活動をMEAで長期にわたってモニター。
例：「発達障害モデルオルガノイド」でのスパイク同期性の変化
細胞系統による機能比較
複数の細胞系統（患者由来iPS細胞 vs 正常対照）から誘導したニューロンをMEA上で比較し、疾患特異的な活動異常を検出
4. 心臓生理・病態研究
心筋細胞の拍動リズム、伝導速度、刺激応答性を測定
心筋症、チャネル異常症、虚血モデルなどの電気生理的特徴を解析
例：ブリュガダ症候群の患者由来iPS心筋細胞での異常電位伝導の記録
5. 脳スライスを用いた機能マッピング研究
海馬、視床、皮質などの部位ごとの応答特性や結合構造を可視化
電気刺激による経路特異的なシナプス応答解析
例：海馬CA3→CA1経路のLTPやSTDP（スパイクタイミング依存可塑性）研究
6. ニューロモルフィック・BCI研究
生体神経系と電子回路のインターフェース（Brain-Computer Interface）構築
神経信号からの機械学習によるパターン分類・予測
例：ニューラルネットワークと連携する“自律型生体ロボット”の制御基盤に
微小電極アレイが活用される分野
微小電極アレイ（MEA）は、生体の電気的活動を多点同時に非侵襲的に記録・刺激できる技術であり、以下のように多様な分野で活用されています。
1. 神経科学（Neuroscience）
🔹 使用目的
ニューロンのスパイク活動・局所電位（LFP）の記録
神経ネットワークの発達・可塑性・伝導解析
シナプス結合やLTP/LTDなどの研究
🔹 使用例
海馬スライスを用いた記憶・学習メカニズムの解明
アルツハイマー病、てんかん、自閉スペクトラム症などのモデル解析
2. 創薬・薬理学・毒性試験（Pharmacology / Toxicology）
🔹 使用目的
薬物による神経活動の変化を評価
心毒性（QT延長、不整脈様活動）の検出
薬効・副作用のスクリーニング
🔹 使用例
抗てんかん薬や抗うつ薬の神経ネットワーク応答評価
FDA推奨のhERGアッセイの代替手段として心筋細胞MEAを使用
3. 幹細胞・再生医療（Stem Cell / Regenerative Medicine）
🔹 使用目的
iPS細胞やES細胞から分化した神経細胞・心筋細胞の機能的成熟評価
オルガノイド（脳・心臓など）の電気生理的評価
🔹 使用例
パーキンソン病患者由来iPS細胞のニューロンの異常スパイク解析
脳オルガノイドの同期発火やネットワーク形成の長期記録
4. 心臓生理学・安全性評価（Cardiac Physiology / Safety Pharmacology）
🔹 使用目的
心筋細胞の拍動・伝導速度・刺激応答性の測定
心臓疾患モデルや薬剤による不整脈様変化の検出
🔹 使用例
iPS心筋細胞による薬剤のQT延長スクリーニング
遺伝性不整脈症候群（例：ロングQT症候群）のモデル研究
5. 疾患モデル研究（Disease Modeling）
🔹 使用目的
疾患特異的な電気生理的異常の検出
正常 vs 患者由来細胞の機能比較
🔹 使用例
自閉スペクトラム症の患者iPS由来ニューロンの同期性低下の検出
筋萎縮性側索硬化症（ALS）モデルでの運動ニューロンの異常発火
6. ニューロモルフィック工学・BCI（Neuroengineering / Brain-Computer Interface）
🔹 使用目的
ニューロンと電子回路の接続・情報伝達の研究
ニューロン信号のリアルタイム解読とフィードバック制御
🔹 使用例
ニューロン由来スパイクを用いた機械制御実験
AIとの統合によるニューロン信号の予測・分類
微小電極アレイのアプリケーション例
以下は、微小電極アレイ（MEA）の具体的なアプリケーション例です。研究・実験レベルでよく行われている実例を、神経科学・心臓研究・創薬・幹細胞・疾患モデルといったカテゴリ別に紹介します。
神経科学でのアプリケーション
1. 脳スライスを使ったLTP（長期増強）実験
目的：学習・記憶の分子基盤であるLTPを多点で評価
方法：海馬CA3–CA1間の電気刺激でLTPを誘導し、CA1領域の応答電位をMEAで多点記録
結果例：スパイク頻度や応答時間の変化により、シナプス可塑性を定量評価
2. 神経培養のネットワーク形成評価
目的：神経細胞が時間経過でどのようにシナプスを形成し、同期発火するかを記録
方法：胎児マウスやiPS由来ニューロンをMEA上に培養し、数週間にわたり記録
結果例：ネットワークの発達とともにスパイクバーストが出現・拡大する様子を可視化
心臓研究でのアプリケーション
3. iPS心筋細胞を用いた心毒性評価
目的：薬剤（例：抗がん剤、抗うつ薬）が心筋のリズムに与える影響を調べる
方法：心筋細胞をMEA上に播種し、薬剤投与前後の電位波形を比較
結果例：拍動周期の延長、伝導ブロック、不整脈様イベントの検出
創薬・薬理学でのアプリケーション
4. 抗てんかん薬のスクリーニング
目的：新規化合物が過剰スパイク活動（てんかんモデル）を抑制できるかを評価
方法：GABA受容体阻害剤（例：ピクロトキシン）で誘導した異常発火に薬剤を適用
結果例：スパイク頻度の抑制、発火の同期性の減少などが薬効の指標に
幹細胞・オルガノイド研究でのアプリケーション
5. 脳オルガノイドの機能評価
目的：ヒトiPS細胞から作製した脳オルガノイドが神経活動を示すかを確認
方法：脳オルガノイドを高密度MEAに載せて数週間記録
結果例：オルガノイドが自発的にスパイクを発生し、同期活動を形成する様子を検出
疾患モデルでのアプリケーション
6. ASD（自閉スペクトラム症）モデルの活動異常の検出
目的：患者由来iPS細胞から作った神経細胞の電気的異常を検出
方法：正常iPS由来ニューロンと比較し、MEAでネットワーク活動を記録
結果例：ASD由来細胞ではスパイク数が少なく、同期発火が弱いという異常が明確に
ニューロモルフィック・BCI研究のアプリケーション
7. ニューロンによるロボット制御（Brain-on-chip）
目的：生きたニューロンの発火パターンをAIと接続し、外部装置を制御
方法：MEAに載せた神経活動をリアルタイムでAIがデコードし、ロボットの動作に変換
結果例：神経ネットワークの学習・適応による制御精度の向上を観察
微小電極アレイでの研究とビブラトーム
微小電極アレイ（MEA）を用いた研究において ビブラトーム（vibratome）は脳スライスなどの生体切片を作製するための重要な前処理装置として活用されます。以下ではその役割・理由・具体的な使い方を説明します。
ビブラトームの役割とは？
ビブラトームは、新鮮な生体組織（例：脳）を生理的環境を保ったまま、厚みのあるスライスに切断できる装置です。MEAでは電気的活動を記録可能な生きた組織切片（通常200–400 µm）が必要であり、その作製にビブラトームが使われます。
MEA研究におけるビブラトームの活用ポイント
目的
生きた脳スライスを高精度に作製し、MEAで記録可能な状態にする
切片の厚さ
一般的に250–400 µm程度（MEAに密着しつつ十分な生理機能を維持）
対象組織
海馬・大脳皮質・小脳・視床など
ビブラトームを使うメリット
低ダメージ
振動による切断で組織の圧壊や熱損傷が少ない
生理活性維持
神経細胞の活動電位・シナプス応答が保存されやすい
厚さ制御
一定の厚み（例：300 µm）で均一なスライスを多数作製可能
MEA適合性
フラットな断面でMEAとの密着性が高く、記録信頼性が向上
微小電極アレイ研究でのPrecisionary社 ビブラトームの活用
Precisionary Instruments社のビブラトームは、微小電極アレイ（MEA）研究において高品質な生体スライス（特に脳スライスや心筋スライス）を作製するための主要機器の一つとして広く活用されています。以下にその具体的な活用法と利点を解説します。
Precisionary社のビブラトームとは？
Precisionaryでは、生体組織切片作製に特化した振動型ミクロトーム（ビブラトーム）を提供しており、MEA用途に適した精度と柔軟性を備えた機器を開発しています。
MEA研究における活用方法
脳スライス作製
新鮮なマウスやラットの脳から、海馬や大脳皮質の300–400 µmスライスを作製し、MEAに載せて神経活動を記録
心筋スライス作製
iPS由来の心筋組織や実験動物の心臓から薄く均一な拍動組織を切り出してMEAで評価
オルガノイド切片
脳オルガノイドなどの3D培養体を一定厚に切り、内部活動のMEA記録を可能にする
Precisionary製ビブラトームのメリット（MEA向け）
高精度な切断
高度な振動コントロールと刃角調整により、細胞ダメージが最小限のスライスが得られる
生理活性の保持
切断時に冷却・酸素化条件を保持可能で、MEA記録に必要な神経活動を維持
柔軟な包埋対応（Compresstome）
ゼラチン包埋によりやわらかい組織（新生仔脳、オルガノイド等）も安定して切断可能
刃の交換・調整が容易
実験効率が高く、熟練度に依存せず再現性の高いスライスが得られる
脳スライスとMEAの併用研究例
脳スライスと微小電極アレイ（MEA）を併用した研究は、神経回路の機能解析、シナプス可塑性、疾患モデル、薬理応答評価など多岐にわたります。以下に代表的な研究例を目的別に分類して紹介します。
脳スライス × MEA の代表的な研究例
1. シナプス可塑性（LTP・LTD）評価
目的：長期増強（LTP）や長期抑圧（LTD）といった、学習・記憶の基盤となる現象を多点記録で解析
使用部位：ラットまたはマウスの海馬（特にCA3–CA1）
手法例：電気刺激でLTPを誘導し、複数のMEA電極でシナプス応答の変化を時間的・空間的に評価
2. 神経ネットワークの情報伝播解析
目的：脳内でのスパイク信号がどのように伝播し、同期活動が起こるかを視覚化
使用部位：海馬、皮質、小脳
手法例：自発活動や刺激応答を記録し、スパイクの伝播速度や方向を解析（伝播マップの作成）
3. てんかんモデルの異常活動記録
目的：てんかん発作様の異常同期活動を可視化し、発症メカニズムを解明
モデル例：ピクロトキシンや4-APを添加し、GABA抑制を阻害する薬理モデル
手法例：異常スパイク発火をMEAsで記録し、発作様活動の空間的拡がりや周期性を分析
4. 神経疾患モデルの電気生理評価
目的：遺伝性または誘導性神経疾患モデルで、回路活動の異常を記録
例：
アルツハイマー病モデル（APP/PS1マウス）
パーキンソン病モデル（6-OHDA誘導）
手法例：病的スライスとWTのスライスを同条件で記録し、スパイク頻度や同期性を比較
5. 薬理評価・毒性試験
目的：神経活動に対する薬物の効果（促進・抑制）や毒性を評価
使用薬剤例：GABA作動薬、グルタミン酸拮抗薬、抗てんかん薬、環境毒性物質 など
手法例：スライス上に薬剤を灌流し、前後のスパイク活動やLFP（局所電位）を定量比較
6. 発達過程の神経活動記録
目的：発達中の脳（新生仔や若齢マウス）でのスパイク活動の時空間的進化を評価
手法例：日齢を変えて脳スライスを作製し、MEA上で自発活動や同期発火の変化を比較
7. 脳波様LFPの観察と解析
目的：脳波に類似する局所電位（LFP）の振動特性（例：ガンマ、シータ波）を脳スライスで解析
手法例：コリン作動薬（例：カルバコール）でLFP発生を誘導し、周波数・位相解析を実施
MEA用組織切片作製ソリューション
Precisionary社のビブラトームを使用して、MEA用の健康で生存可能な組織スライスを作成します。
MEAのための高品質で生存可能な組織スライスの入手
Precisionary Instruments 社のビブラトームは、サンプルの生理学的完全性を維持する正確で生存可能な組織切片を作成するように設計されており、下流の解析において最も信頼性の高い遺伝子データを確保します。
高精度振動ミクロトーム
Compresstome® VF-510-0Z は、サンプルの生存性と健全性を保ちながら、薄い組織スライスを作成するように設計されており、MEAに理想的です。この完全自動システムは、研究で正確な結果を得るために重要な、組織切片の生理的完全性を確実に維持します。
アプリケーション
VF-510-0Zは、正確で迅速な切片作製を実現し、脳組織と神経細胞の健全性を保ちながら、電気生理学の最高品質の結果をサポートします。
アプリケーション
実験別
臓器
動物モデル
関連コンテンツ
Compresstome©ビブラトームの利点
アガロース包埋
アガロース包埋とは、Compresstome©振動型マイクロトームで組織切片を切り出す前に、組織試料をアガロース溶液で包埋することです。切片作製にかかる時間はほんのわずかで、より健康的で滑らかな組織スライドを作製できます。
Auto Zero-Z®テクノロジー
振動ヘッドは、Z軸方向の振動をなくすように正確に調整されています。Auto Zero-Z®テクノロジーは、生きた組織サンプルの表面細胞へのダメージを軽減し、薄切片のチャタリングを低減してイメージング結果を向上させます。
豊富なアプリケーション例
Precisionary社は、20年近くにわたり組織スライス装置を専門に扱ってきた会社です。免疫組織学や組織切片の培養、電気生理学や植物研究など、幅広いアプリケーションと引用実績があります。
関連製品
flexiVent
肺機能測定・解析
flexiVent肺機能測定・解析ソリューションは、in vivo呼吸力学測定のゴールドスタンダードとして広く知られています。従来の肺換気の抵抗とコンプライアンス力学を超え、中枢気道、末端気道、実質の力学的特性に関する重要な詳細を測定・解析します。
flexiVentは実験条件を精密にコントロールすることで、最高の感度と再現性を実現しています。
オレンジサイエンスはemka TECHNOLOGIESの日本総代理店であり、日本国内においてemka TECHNOLOGIES社との唯一の取引窓口です。
vivoFlow
呼吸機能解析
vivoFlowは無拘束での呼吸機能解析装置です。全身、ヘッドアウト、ダブルチャンバーでの呼吸機能解析を提供します。
プレチスモグラフィは、意識のある自発呼吸の実験室被験者の肺機能を研究するための標準的な方法です。気圧脈波法では、被験者が呼吸している間、薬物やその他の刺激にさらされる前後に生じる流量と圧力の変化を測定します。さまざまな被験者のサイズやタイプに容易に適応でき、被験者を連続した実験日に何時間も研究する縦断的研究によく使用されます。
Etaluma Lumascope
インキュベーター内で使用できる３色蛍光ライブセルイメージング蛍光顕微鏡
EtalumaのLumascope（ルマスコープ）は、優れた感度、解像度、ゼロピクセルシフトを備えた、半導体光学の新しいコンセプトで設計された、倒立型小型蛍光顕微鏡です。日々顕微鏡を使用する科学者によって考案、設計され、そのコンセプトデザインにより、インキュベーター、ドラフトチャンバーなどの限られたスペースの中で使用でき、幅広いラボウエアでのライブセルイメージングを可能にします。
多点観察モデル、定点観察モデルがあり、様々な観察シーンに対応できます。
その他の製品は下記からご覧ください
