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Jun 17, 2023

미세유체 신경망 내에서의 강렬한 커뮤니케이션의 초상

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12306(2023) 이 기사 인용 1882 액세스 4 Altmetric Metrics 세부 정보 체외 모델 네트워크는 생리학적 관련성의 세포 모델을 제공할 수 있음

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12306(2023) 이 기사 인용

1882년 액세스

4 알트메트릭

측정항목 세부정보

시험관 내 모델 네트워크는 실험실의 칩에서 신경 회로의 기본 기능을 재현하고 조사하기 위해 생리학적 관련성이 있는 세포 모델을 제공할 수 있습니다. 칩에 신경망을 구축하기 위해 지난 10년 동안 여러 도구와 방법이 개발되었습니다. 그중에서도 미세유체 회로는 매우 유망한 접근 방식인 것으로 보입니다. 이 접근법의 수많은 장점 중 하나는 신체가 원하지 않는 영역을 탐색하는 것을 방지하고 정의된 경로를 따라 신경돌기를 안내하는 물리적 장벽으로 인해 시간이 지남에 따라 안정적인 체세포 및 축삭 구획을 보존한다는 것입니다. 결과적으로 뉴런 구획을 식별하고 격리할 수 있으며 상호 연결성을 조절하여 위상 신경망(NN)을 구축할 수 있습니다. 여기에서는 미세 유체 환경에 의해 부과된 제한이 세포 발달에 영향을 미치고 NN 활동을 형성할 수 있는 정도를 평가했습니다. 그 목표를 향해 미세 전극 배열은 조직화된(미세 유체) 네트워크와 무작위(제어) 네트워크의 특정 위치에서 배양 기간 동안 뉴런 활성화의 단기 및 중기 진화를 모니터링할 수 있게 했습니다. 특히, 우리는 성숙의 첫 번째 단계에서 추출된 스파이크 트레인 간의 상관관계뿐만 아니라 스파이크 및 버스트 속도를 평가했습니다. 이 연구를 통해 우리는 무작위 네트워크 내에서 더 약하고 더 지연되는 강렬한 신경돌기 통신을 관찰할 수 있었습니다. 시간이 지남에 따라 개수와 진폭 측면에서 스파이크 속도, 버스트 및 상관관계가 강화되어 표준 배양의 전기생리학적 특징을 초과합니다. 미세유체 채널에서 기대했던 향상된 검출 효율성 외에도 세포를 가두는 것은 네트워크 전반에 걸쳐 신경 통신과 세포 발달을 강화하는 것으로 보입니다.

시험관 내 모델 시스템은 사용자 정의 신경 구조를 제공하고 실험실에서 세포 조직과 과정을 연구하는 데 주요 관심 대상입니다. 이를 위해 평면 세포 배양에서 3D 세포 배양 및 장기 온 칩5,6,7까지 생리학적으로 관련된 신경 네트워크를 구축하기 위한 여러 가지 방법이 개발되었습니다. 이러한 접근법은 생체 내에서 간과될 수 있는 특정 세포 메커니즘을 칩에서 분리하는 데 성공했습니다.

해리된 뉴런 배양으로 구성된 첫 번째 방법은 몇 가지 장점을 제공합니다. 조직의 구조는 대부분 손실되지만 장기간 기록을 위한 전기 장치와의 소형화, 고효율 결합과 함께 높은 수준의 생화학적 및 생물물리학적 제어가 가능합니다. 이러한 모델의 한계는 체세포와 신경돌기의 무작위 구성입니다. 이는 발달 전반에 걸쳐 동일한 세포 또는 신경돌기의 관찰을 복잡하게 만들고 네트워크의 가소성을 평가하는 것을 방지합니다. 또한, 서로 다른 모집단을 분리할 수 없으므로 연구는 모집단 내 의사소통으로만 제한됩니다. 따라서 여러 연구에서는 체세포 위치와 신경돌기 성장을 제한하여 시험관 내에서 신경 네트워크를 구조화하려고 시도했으며, 이는 몇 주에 걸쳐 개별 뉴런과 이들의 상호 작용을 연구하는 데 적합한 방법을 제공했습니다. 첫째, 접착성 폴리머와 기피성 폴리머의 조합은 정의된 패턴을 따라 뉴런의 안내를 가능하게 했으며 실험실에서 구축된 최초의 기능적 아키텍처로 이어졌습니다8,9,10. 이 접근 방식은 소수의 세포를 분리하고 연결하는 데 성공했지만 대규모 집단을 구성하는 데는 여전히 과제가 남아 있습니다. 또한 뉴런은 몇 주 후에도 원하지 않는 영역에 도달할 수 있습니다. 따라서 추가적인 물리적 장벽을 제공하고 운동성 세포가 이동하는 것을 방지하기 위해 미세구조가 개발되었습니다. 그중에서도 PDMS 기반 미세유체 회로는 대규모 뉴런 집단의 위치 지정, 배양 및 인터페이스에 적합한 많은 특성을 제공하는 매우 다양한 도구로 등장했습니다. 첫 번째 시연 이후 PDMS 기반 미세유체공학은 칩의 뇌 회로 모델링과 단일 뉴런 분석에 사용되었습니다. 이 접근법은 효율적인 세포 접착 및 시간 안정 아키텍처를 위해 뉴런 접착 코팅과 물리적 장벽을 결합하는 동시에 고해상도 이미징을 위한 높은 광학 투명성을 유지합니다. 또한 미세유체 장치는 동일한 세포의 활동과 시간이 지남에 따라 그 활동이 어떻게 진화하는지 모니터링하기 위한 전기 장치 어레이4,29,30,31,32,33,34를 포함한 모든 기판과 조립될 수 있습니다. 실제로 이 조합은 정의된 신경 회로35,36 및 효율적인 뉴런 장치 결합37,38,39,40의 장기적인 유지 관리라는 필수 조건을 충족합니다.