设备不同脑细胞信号也可“统一标尺”分析……提升动物替代试验可靠性[读懂科学]

一种可按统一标准分析由不同制造商设备测得的脑神经细胞电信号的工具已开发完成。预计将有助于提高利用脑类器官等开展的动物替代神经毒性试验的可重复性和可靠性。

国家毒性科学研究所表示，Park Sunghyun动物替代研究中心主任团队与顺天乡大学、成均馆大学及釜山大学联合开发了多电极阵列芯片数据整合分析工具“CASCADE”。

整合分析各制造商MEA数据的CASCADE。该系统将各制造商格式不同的MEA数据整合为统一体系，分析神经活动与连接性、神经元雪崩、临界性等与神经网络信息处理相关的指标。研究团队供图

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多电极阵列芯片是一种可通过多个电极同时测量培养神经细胞或脑类器官电信号的设备。其可用于评估药品或化学物质神经毒性的动物替代试验等，但由于不同制造商的数据格式和分析方法各异，不同设备获得的结果难以直接比较。

CASCADE可在同一分析体系中处理5家制造商的多电极阵列芯片数据。输入原始数据后，仅需一行命令即可分析作为神经细胞电信号的“尖峰”、放电频率和网络活性，以及反映神经网络信息处理状态的“临界性”和神经细胞活动连锁扩散的“神经元雪崩”。

研究团队利用包括Axion BioSystems、MaxWell Biosystems在内的5家制造商提供的6组实测数据，验证了CASCADE的性能。结果显示，即使设备和数据格式不同，也能够按照统一标准计算并比较神经网络的临界性数值；其捕捉神经细胞电活动的尖峰检测性能，也与现有制造商专用软件处于相近水平。在普通笔记本电脑上，分析仅需约5至20秒，大容量数据也可通过较少内存完成处理。

研究团队合影。从左起，Park Sunhyeon，国家毒性科学研究所动物替代研究中心主任，Forbes Avila，研究员。KIT供图

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研究团队预计，该工具可使使用不同设备的实验室按照统一标准比较实验结果，并提高利用培养神经细胞和脑类器官开展动物替代神经毒性评估的可重复性。源代码和验证数据已通过GitHub、Python Package Index及Zenodo等平台免费公开。

Park Sunghyun表示：“无论采用何种设备测量神经细胞信号，均须按照统一标准分析，才能进行科学比较。希望这项成果能够推动动物替代神经毒性评估及生物智能研究的发展。”

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研究成果于2026年7月29日发表于国际学术期刊《Bioinformatics》。

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