배양 신경 세포: 미세 유체 장치는 실험실에서 배양된 신경 세포의 연결을 돕는다.

"함께 발화하는 뉴런은 함께 연결된다"는 말은 인간의 뇌에서 볼 수 있는 신경 가소성을 설명하지만, 접시에서 배양한 뉴런은 이러한 규칙을 따르지 않는 듯하다. 시험관 내에서 배양된 뉴런은 모두 함께 발화하는 무 작위적이고 무의미한 네트워크를 형성한다. 실제 뇌가 어떻게 학습하는지 정확하게 나타내지 않으므로 이를 연구하여 제한된 결론만 도출할 수 있다.

하지만 실제로 더 자연스럽게 작동하는 시험관 내 뉴런을 개발할 수 있다면 어떨까?

도호쿠 대학의 한 연구팀은 미세유체 장치를 사용하여 동물 신경계에서 발견되는 것과 유사한 연결성을 지닌 생물학적 뉴런 네트워크를 재구성했다. 그들은 이러한 네트워크가 반복적인 자극으로 "재구성"될 수 있는 복잡한 활동 패턴을 보인다는 것을 보여주었다. 이 놀라운 발견은 학습과 기억을 연구하기 위한 새로운 도구를 제공한다.

(a)   마이크로유체 장치와 세포 배양의 개략도. (b) 신경망 사진. 신경세포는 정사각형 영역으로 구분되어 있으며, 이들은 마이크로채널을 통해 연결된다. ©Hakuba Murota et al.

뇌의 특정 영역에서 정보는 "뉴런 앙상블" 또는 함께 발화하는 뉴런 그룹으로 인코딩되고 저장된다. 앙상블은 환경의 입력 신호에 따라 변화하는데, 이는 우리가 사물을 배우고 기억하는 방식의 신경적 기초로 간주된다. 그러나 동물 모델을 사용하여 이러한 과정을 연구하는 것은 구조가 복잡하기 때문에 어렵다.

"실험실에서 뉴런을 성장시킬 필요가 있는 이유는 시스템이 훨씬 더 간단하기 때문이다."라고 히데아키 야마모토(도호쿠 대학교)는 말한다. "실험실에서 성장시킨 뉴런은 과학자들이 엄격하게 통제된 조건에서 학습과 기억이 어떻게 작동하는지 탐구할 수 있게 해준다. 이러한 뉴런은 가능한 한 실제와 가까워야 한다는 요구가 있다."

(a)   실험 중에 나타난 뉴런과 뉴런 앙상블의 활동. 각 회색 점은 뉴런의 개별 활동을 나타낸다. 하단의 색상 선은 감지된 뉴런 앙상블을 나타낸다. (b) 뉴런 앙상블에 속하는 뉴런의 공간적 지도. (c) 실험 중 뉴런 앙상블의 발생 빈도 변화. 각 앙상블의 빈도는 자극 전후에 변경된다. ©Hakuba Murota et al.

연구팀은 미세유체 장치(작은 3D 구조의 작은 칩)를 사용하여 특수 모델을 만들었다. 이 장치는 뉴런이 연결되어 동물의 신경계와 유사한 네트워크를 형성할 수 있도록 했다. 연구팀은 뉴런을 연결하는 작은 터널(마이크로채널이라고 함)의 크기와 모양을 변경하여 뉴런이 얼마나 강하게 상호 작용하는지 제어했다.

연구자들은 더 작은 마이크로채널이 있는 네트워크가 다양한 뉴런 앙상블을 유지할 수 있음을 보여주었다. 예를 들어, 기존 장치에서 성장한 체외 뉴런은 단일 앙상블만 보이는 반면, 더 작은 마이크로채널로 성장한 뉴런은 최대 6개의 앙상블을 보였다. 또한 연구팀은 반복적인 자극이 이러한 앙상블을 조절하여 마치 세포가 재구성되는 것처럼 신경 가소성과 유사한 과정을 보여준다는 것을 발견했다.

이 미세유체 기술은 체외 뉴런과 함께 미래에 기억을 형성하고 회상하는 것과 같은 특정 뇌 기능을 모방할 수 있는 더욱 진보된 모델을 개발하는 데 사용될 수 있다.