Axonal propagation, especially conduction properties, is widely known to be important for information processing in modular neural network. However, there have been little experimental evidences since the access isolated axons and record their signals are difficult. In this study, we applied a microfluidic channel device, which was composed two chambers with interconnected microchannels, on a microelectrode array (MEA) to generate modular networks connected with only axons. Hippocampal neurons were cultured at both chambers and the activity of neural networks was able to record from 1 week to 3 weeks in microchannels and chambers. The amplitudes of spikes in microchannels, which were 137.0 ± 8.54 μV at 14 DIV, were significantly larger than those in chambers, while there was no difference of signal-to-noise ratio because background noise was also amplified in microchannels. In formed neural networks, we also investigated their connection and conduction velocity through the axons as the networks get matured. Using cross-correlation coefficient matrix with rate histograms, the maturation of networks was quantified and the high correlations of intra-chamber and those between microchannels and both chambers were increased over time. Finally, the velocities of axonal propagation in microchannels were measured and 73% axons showed 0.2~0.5 m/s at 14 DIV. They tended to be increased with cultivation days and the strong increasing trend was verified by linear regression with 0.9912 of r-square. This developed microfluidic channel integrated MEA is expected to provide useful platform for axonal propagation studies in modular networks.
축색 돌기 신호전달, 특히 전도 특성의 경우 모듈러 네트웍에서의 정보전달에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나 실제 신경 네트웍 내의 축색 돌기 신호는 상대적으로 그 크기가 작기 때문에 측정해 내는 것이 쉽지 않으며, 전도 속도를 추정하기 위해서는 동시에 여러 위치에서 신호를 읽어낼 수 있는 기술이 요구되기 때문에 그 역할에 관한 실험적으로 입증된 결과는 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 두 개의 구획으로 분리되어 있는 PDMS 소자를 미세전극칩에 적용함으로써 네트웍을 원하는 형태로 구획화하고 제어하였으며, 특히 구획 사이를 미세유체채널로 연결하여 구획화된 네트웍이 축색 돌기만으로 연결되도록 하였다. 구체적으로, 쥐의 해마조직에 있는 신경세포를 박리 배양하여 양쪽 구획에 배양하였으며, 약 한달 동안 구획 내와 채널 안에서의 신경 신호를 측정하였다. 그 결과, 2주차 신경 네트웍에서 측정되는 스파이크의 경우에 채널 안에서는 137.0 ± 8.54 μV의 크기로 구획 내에서 측정되는 것보다 유의미하게 크게 나타났으며, 측정 효율을 나타내는 신호대잡음비는 거의 차이가 없었다. 다음으로 상호상관계수를 이용하여 형성된 네트웍의 연결에 대해 분석한 결과, 구획 내의 높은 상관 정도와 낮은 구획 사이의 상관 정도를 관찰하였다. 채널 내의 축색 돌기 신호의 경우에는 양쪽 구획에서 측정되는 신호와 비교적 높은 상관계수를 나타내었으며, 이는 네트웍이 발달함에 따라 더 높아지는 것을 관찰하였다. 마지막으로, 채널 내의 전극을 통해 전도 속도를 추정해내었으며, 2주차 네트웍의 경우에 약 73%에 해당하는 축색 돌기가 0.2~0.5 m/s의 속도범위에 분포하는 것을 관찰하였다. 측정된 전도 속도는 네트웍이 발달 과정상에서 시간이 지남에 따라 선형적으로 증가하는 것을 관찰하였으며, 그 경향성이 매우 높음을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 미세유체채널이 결합된 미세전극칩은 모듈러 네트웍에서의 축색 돌기 신호 전달에 관한 연구에 있어 유용한 플랫폼이 될 것으로 기대된다.
