신경 네트워크 연결 "실시간 조절 플랫폼"
신경 네트워크 연결 "실시간 조절 플랫폼"
  • 함예솔
  • 승인 2021.01.20 22:40
  • 조회수 1427
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

KAIST 바이오및뇌공학과 남윤기 교수 연구팀이 나노입자 기술을 기반으로 시험관 조건에서 배양한 신경 네트워크의 연결을 실시간으로 조절할 수 있는 신경칩 플랫폼을 개발했습니다. 이번 연구는 신경 네트워크의 구조를 조절하기 위한 기존의 많은 세포 형태화 기술이 세포 배양 이전 단계에만 적용 가능한 데 반해, 네트워크의 발달 및 성숙 단계에서도 도입할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 이번 연구는 'Nature Communications'에 게재됐습니다. 

뇌에는 대략 850억 개의 신경세포가 있다고 하네요. 출처: AdobeStock
뇌에는 대략 850억 개의 신경세포가 있다고 하네요. 출처: AdobeStock

신경 네트워크 구현

 

우리 뇌의 복잡한 구조를 모방하는 신경 네트워크 모델을 체외 조건에서 구현하기 위해서는 신경세포의 위치와 연결을 원하는 구조에 맞춰 정렬하는 기술이 필요하며 이를 위해 다양한 방식의 미세공정 기법을 통한 신경세포 형태화 기술이 개발돼왔습니다.

 

그러나 이러한 기술들은 세포를 배양하기 전에 배양기판의 표면을 개질하는 방법을 기반으로 합니다. 배양 초기 단계에서 원하는 네트워크의 구조를 통제하는 것은 가능하나, 이후 수일 또는 수 주에 걸친 세포 간 네트워크 형성 과정 중에 네트워크 연결을 조절하는 것이 매우 어렵습니다.

나노 광열 신경 칩 플랫폼 모식도. 열 감응성의 아가로즈 하이드로겔층, 근적외선 영역에서 광열 효과를 나타내는 금 나노막대 층, 신경 신호를 측정하기 위한 미세 전극 칩. 출처: KAIST
나노 광열 신경 칩 플랫폼 모식도. 열 감응성의 아가로즈 하이드로겔층, 근적외선 영역에서 광열 효과를 나타내는 금 나노막대 층, 신경 신호를 측정하기 위한 미세 전극 칩. 출처: KAIST

연구진은 세포 배양 중에도 신경 네트워크의 구조와 기능을 실시간으로 조절할 수 있는 기술을 개발하기 위해 아가로즈 하이드로겔(agarose hydrogel), 금 나노막대, 미세 전극 칩 기반의 신경 칩 플랫폼을 제작했습니다. 해초로부터 추출한 물질로 조직공학 분야에서 활용되고 있는 아가로즈 하이드로겔은 신경세포의 흡착을 방해하는 세포 반발성을 가지고 있어, 배양기판 상에 다양한 형태의 패턴을 제작해 이 물질이 없는 영역에만 한정적으로 신경 네트워크를 형성시킬 수 있습니다. 

 

또한 아가로즈 하이드로겔은 열에 의해 녹습니다. 때문에 국소적인 열을 통해 특정한 위치의 하이드로겔을 제거할 수 있습니다. 연구진은 원하는 영역에만 국소적 열을 발생시키기 위한 매개체로 금 나노막대를 사용했습니다. 금 나노막대는 근적외선을 선택적으로 흡수해 열을 발생시킬 수 있는 광열 특성이 있습니다. 마지막으로 미세 전극 칩은 신경세포의 전기적 신호를 비침습적으로 장기간 측정합니다.

신경 네트워크의 구조 및 기능을 조절하는 세 가지 조작 기술 모식도. (1) 새로운 신경 연결 생성을 위한 아가로즈 하이드로겔 국소적 제거. (2) 네트워크 간의 신경 연결 제거를 위한 신경돌기 광열 자극. (3) 기능적 연결 매핑을 위한 네트워크 활성 억제. 출처: KAIST
신경 네트워크의 구조 및 기능을 조절하는 세 가지 조작 기술 모식도. (1) 새로운 신경 연결 생성을 위한 아가로즈 하이드로겔 국소적 제거. (2) 네트워크 간의 신경 연결 제거를 위한 신경돌기 광열 자극. (3) 기능적 연결 매핑을 위한 네트워크 활성 억제. 출처: KAIST

연구진은 배양기판인 미세 전극 칩 위에 금 나노막대 층을 형성하고, 그 위에 미세 패턴을 지닌 아가로즈 하이드로겔 층을 제작함으로써, 각 미세 패턴 안에 독립된 신경 네트워크들을 구축했습니다. 다음으로 개발된 플랫폼을 통해 세 가지의 다른 조작 방식으로 신경 네트워크의 구조와 기능을 조절할 수 있음을 실험적으로 확인했습니다.

 

우선 금 나노막대 층에서 발생하는 열을 통해 네트워크 사이에 하이드로겔을 국소적으로 제거했고, 제거된 영역을 따라 신경돌기(축삭)가 생장해 새로운 신경 연결이 생성됨을 확인했습니다. 이후 네트워크를 연결하고 있는 신경돌기에 직접 열을 가함으로써 원하는 신경 연결을 선택적으로 제거할 수 있음을 관찰했습니다. 이러한 신경 연결의 생성과 제거 기술을 미세 전극 칩 상에서 실행함으로써 연구팀은 네트워크의 구조적 변화에 의한 기능적 연결성을 분석할 수 있었습니다. 세번째로는, 광열 자극을 이용한 신경 활성 억제 현상을 이용해 개별 네트워크의 활성 변화를 조절하면서 서로 연결된 네트워크 간의 기능적 연결성을 대응시킬 수 있음을 확인했습니다.

 

이번 연구의 교신저자인 남윤기 교수는 "이번 연구에서 개발된 신경 세포 칩 플랫폼은 신경회로의 구조와 기능을 세포 발달과정 중에 조절할 수 있다"며 "앞으로 뇌신경과학 연구를 위한 다양하고 복잡한 형태의 체외 신경 모델을 구현하는 데 활용될 것으로 기대된다"고 말했습니다.


##참고자료##

 

  • Hong, Nari, and Yoonkey Nam. "Thermoplasmonic neural chip platform for in situ manipulation of neuronal connections in vitro." Nature communications 11.1 (2020): 1-12.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2024 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트