In vitro microelectrode array (MEA) has enabled systematic approach for studying neural circuit by bottom-up approach. Due to its multisite, noninvasive and long-term measurement capability, MEA has been applied as a useful neurophysiological tool to study fundamental neuroscience, diseased model, neuropharmacology and developing prototype for neural probe. Despite its usefulness, there are several innate drawbacks. First, single well MEAs are not compatible to neurological drug test due to inefficiency of large-scale sample collection. Second, the location of micro-sized electrodes is pre-defined making neuronal spike recording difficult in low-density neuronal culture. Lastly, limited sensing area from MEA (1 mm ~ 5 mm) makes it impossible to investigate long-range signal propagation. The ultimate goal of this dissertation is to tackle the previous mentioned problems and improve the performance of in vitro 256 channel MEA platform. 256 channel 16-well MEA platform was developed with compact design principle. Efficient sample collection and drug response analysis was available. Moreover increased coupling between cultured neurons and electrodes could be induced by electrophoretic deposition of poly-cation and improved the recording yield. In addition, ultra-large (5 cm~) neural network, exceeding the size of the whole rat brain and mimicking the modular structure of the brain, was successfully patterned on MEA slide using soft-lithography technique. Both the global and local network activity could be simultaneously monitored and distance dependent functional connection strength could be investigated.
체외 신경전극칩은 신경세포의 배양과 생장을 미세전극칩 위에서 조절할 수 있다는 점에서 보다 체계적인 접근 방법으로 신경네트웍 연구를 가능하게 하였다. 또한 다중전극에서 비침습적으로 장기간 신경신호를 측정 할 수 있다는 장점으로 기초 신경과학, 질병 모델, 신경약리학 연구 및 신경 전극의 프로토타입을 개발하는데 유용한 신경생리학 도구로 적용되어왔다. 하지만 이러한 유용성에도 불구하고 체외 신경전극칩은 몇가지 단점을 지니고 있다. 첫번째로, 단일-웰 신경전극칩을 사용해서는 약물 실험과 같은 네트웍 단위의 대용량 샘플 수집이 어렵다. 두번째로, 미세전극의 위치가 고정되어 있기 때문에 저 농도의 세포 배양에서는 신호 측정이 어렵다. 마지막으로, 미세전극칩의 제한된 측정 영역은 실제 뇌에서 발현되는 원거리 신호 전달을 측정하고 기능을 연구하는 것을 어렵게 한다. 본 논문에서는 앞서 언급한 제한점들을 다루어보고 256채널 신경전극칩 플랫폼의 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다. 먼저, 256채널 16-웰 미세전극칩 플랫폼을 개발하여 신경네트웍 단위의 샘플 수집을 효과적으로 증가시켜 약물 반응 분석 효율을 향상시킬 수 있었다. 다음으로 세포 흡착성 양전하 입자의 전기적 증착을 통해 뉴런과 전극의 접합을 유도할 수 있었고, 신호 측정 효율을 증가시킬 수 있었다. 마지막으로 쥐의 뇌보다 크고 모듈형 구조를 모방한 초대형(5cm~) 신경네트웍을 소프트리소그래피 기법을 이용해 미세전극칩 기판에 성공적으로 패터닝할 수 있었다. 이를 통해 신경네트웍의 대면적 활동과 국소적 네트워크 활동을 동시에 모니터링할 수 있었으며 신호 전달 거리에 따른 회로의 연결 강도를 연구할 수 있었다.
