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

인간의 뇌를 수십억 개의 뉴런이 시민으로 살고 있는 거대하고 북적이는 도시라고 상상해 보십시오. 건강한 뇌에서 이 시민들은 그저 목적 없이 배회하지 않습니다. 그들은 조직화된 구역에 살며, 특정 도로를 따르고, 학습, 기억, 또는 시각과 같은 과업을 처리하기 위해 명확한 고속도로를 따라 메시지를 보냅니다.

하지만 과학자들이 실험실 접시(in vitro)에서 이 뇌세포들을 키우려고 하면, 결과는 대개 혼란스러운 엉망진창이 됩니다. 세포들은 엉킨 구조 없는 웹처럼 자라나며, 모두가 동시에 소리를 지르는 듯한 "과동기화(hypersynchronous)"된 소음을 만들어내어 실제 뇌와는 닮지도 행동하지도 않게 됩니다. 이는 마치 사람들이 도로를 무시하고 공원 한복판에 집을 짓도록 방치된 채 도시를 건설하려는 것과 같습니다.

기존 도구들의 문제점
과학자들은 세포들을 유도하기 위해 아주 작은 가이드들을 만들어 이 문제를 해결하려 노력해 왔지만, 이전 방식들은 거대한 도시 속에 표지판 몇 개를 세워두는 것과 같았습니다. 그 방식은 아주 적은 수의 세포만을 안내할 수 있었고, 나머지 대다수의 세포는 그들이 원하는 곳 어디로든 자라나도록 내버려 두었습니다.

새로운 솔루션: "뉴런 지하철 시스템"
이 문제를 해결하기 위해 연구진은 **천공 마이크로유체 칩(perforated microfluidic chip)**이라는 새로운 장치를 만들었습니다. 이 장치는 뉴런을 위해 특별히 설계된 정교한 지하철 시스템이나 다차선 고속도로 네트워크라고 생각하면 됩니다.

단순히 몇 개의 표지판을 설치하는 대신, 이 장치는 수많은 진입 지점(천공)을 가진 미세한 터널(마이크로터널) 격자를 갖추고 있습니다.

• 진입: 지하철역에 사람들이 들어올 수 있는 많은 문이 있는 것처럼, 이 장치는 수많은 세포가 한꺼번에 탑승할 수 있도록 배열된 구멍들을 가지고 있습니다.
• 여정: 일단 내부로 들어오면, 세포들은 이 좁은 터널을 통과하도록 강제됩니다. 연구진은 다양한 터널 모양을 테스트했지만, 한 가지 특정 디자인이 일방통행 도로처럼 작동하여 뉴런이 단 하나의 조직화된 방향으로 자라도록 강제하는 데 성공했습니다.

예상치 못한 보너스: 수정처럼 맑은 소리
연구진은 이 새로운 "지하철"이 뇌세포를 조직화하는 데 도움이 되는지 확인하고자 했으며, 마이크로 전극 어레이(microelectrode array)라는 마이크와 같은 장치를 사용하여 세포들의 전기 신호를 듣는 테스트를 진행했습니다.

그들은 두 가지 놀라운 사실을 발견했습니다.

1. 질서 정연한 교통: 일방통행 터널 디자인은 뉴런이 올바른 방향으로 자라도록 성공적으로 유도하여 구조화된 네트워크를 만들어냈습니다.
2. 더 나은 음질: 뜻밖의 행운(serendipity)으로, 그들은 이 터널들이 고품질의 방음벽 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 전기적 기록이 믿을 수 없을 정도로 선명해졌습니다. "잡음(static)"은 사라졌고, 뉴런의 "목소리(spikes)"는 훨씬 더 크게 들리고 파악하기 쉬워졌습니다. 그것은 마치 터널이 시끄럽고 붐비는 방을 모든 속삭임을 완벽하게 들을 수 있는 조용한 도서관으로 바꾼 것과 같았습니다.

컴퓨터 지도
뉴런이 때때로 예측하기 어려운 놀라운 방식으로 자랄 수 있기 때문에, 팀은 간단한 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 이것을 뉴런을 위한 "비행 시뮬레이터"라고 생각하십시오. 이제 그들은 물리적인 장치를 실제로 만들기 전에, 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 다양한 터널 디자인에서 세포들이 어떻게 행동할지 미리 볼 수 있습니다. 이를 통해 그들은 컴퓨터 보조 설계(CAD)를 사용하여 향후 실험을 더욱 효과적으로 계획할 수 있습니다.

요약
이 논문은 대규모의 세포를 조직화된 패턴으로 안내하는, 뇌세포를 위한 새로운 "고속도로 시스템"을 설명합니다. 이는 기존의 도구들이 할 수 없었던 일입니다. 보너스로, 이 시스템은 세포들의 전기적 대화를 듣는 것을 훨씬 쉽게 만들어 주며, 팀은 향에 더 나은 버전을 설계하는 데 도움이 될 컴퓨터 시뮬레이션을 제작했습니다.