Large-Scale Control of Neuronal Networks In Vitro Using Perforated Microfluidic Devices

人間の脳を、数十億のニューロンが市民として暮らす、巨大で活気ある都市だと想像してみてください。健康な脳では、これらの市民はただ目的もなく彷徨っているわけではありません。彼らは組織化された近隣住区に住み、特定の道路に従い、学習、記憶、あるいは視覚といったタスクを処理するために、明確な高速道路に沿ってメッセージを送り合っています。

しかし、科学者が実験室のディッシュの中でこれらの脳細胞を育てようとすると（in vitro）、その結果は通常、混沌とした混乱状態になります。細胞はもつれた構造のないウェブ状に成長し、全員が同時に叫んでいるような状態になり、「過同期」したノイズが発生して、実際の脳のような姿や動きを見せなくなります。それはまるで、人々が道路を無視して、公園の真ん中に家を建ててしまうような都市を作ろうとしているようなものです。

既存のツールの問題点
科学者たちは、細胞を誘導するための小さなガイドを作ることでこの問題を解決しようとしてきましたが、これまでの手法は、巨大な都市の中に数枚の道路標識を立てるようなものでした。それらはごくわずかな細胞を導くことしかできず、大多数の細胞はどこへでも自由に成長してしまいました。

新しい解決策：「ニューロン地下鉄システム」
この問題を解決するために、研究者たちは「多孔質マイクロ流体チップ」と呼ばれる新しいデバイスを開発しました。このデバイスは、ニューロンのために特別に設計された、洗練された地下鉄システムや多車線ハイウェイネットワークのようなものだと考えてください。

単なる数枚の標識ではなく、このデバイスには、無数の入り口（穿孔）を備えた微細なトンネル（マイクロトンネル）のグリッド全体が備わっています。

• 入り口： 地下鉄の駅に多くのドアがあるように、このデバイスには、膨大な数の細胞が一斉に乗り込めるような一連の穴があります。
• 旅路： 一度中に入ると、細胞はこれらの狭いトンネルを通って移動することを余儀なくされます。研究者たちはさまざまなトンネルの形状をテストしましたが、ある特定のデザインが一方通行の道路のように機能し、ニューロンを単一の組織化された方向へと成長させることに成功しました。

予期せぬボーナス：澄み渡る音
研究者たちは、この新しい「地下鉄」が脳細胞の整理に役立つかどうかを確認するため、マイクロ電極アレイと呼ばれるマイクのような装置を使って、細胞の電気信号を聴取するテストを行いました。

彼らは、2つの驚くべき発見をしました。

1. 秩序ある交通： この一方通行のトンネルデザインは、ニューロンを正しい方向に成長させ、構造化されたネットワークを作り出すことに成功しました。
2. 優れた音質： 偶然にも（セレンディピティ）、これらのトンネルが高品質の防音材として機能していることを発見しました。電気的な記録が驚くほどクリアになったのです。「静電気（ノイズ）」が消え、ニューロンの「声（スパイク）」がはるかに大きく、聞き取りやすくなりました。それはまるで、トンネルが騒がしく混雑した部屋を、静かな図書館に変え、あらゆるささやき声が完璧に聞こえるようにしたかのようでした。

コンピュータ・マップ
ニューロンが時として予測困難な方法で成長することがあるため、チームはシンプルなコンピュータモデルを構築しました。これは、ニューロンのための「フライトシミュレーター」と考えてください。彼らはコンピュータ上でシミュレーションを実行することで、物理的なデバイスを実際に作る前に、異なるトンネルのデザインにおいて細胞がどのように振る舞うかを確認できます。これにより、彼らはコンピュータ支援設計（CAD）を用いて、将来の実験をより効果的に計画できるようになりました。

要約
この論文は、大量の細胞を組織化されたパターンへと導く、脳細胞のための新しい「高速道路システム」について述べています。これは従来のツールでは不可能だったことです。おまけとして、このシステムは細胞の電気的な会話を聞き取ることを非常に容易にし、チームは将来さらに優れたバージョンを設計するためのコンピュータ・シミュレーションも作成しました。