Cultured neuronal networks have been widely studied as an in vitro model system to explore the relationship between network structure and function. To design networks with a controlled structure, various cell patterning methods were developed to regulate neuron adhesion and neurite outgrowth. However, most of the techniques lack the ability to control network structures after cell cultivation, making it difficult to assess functional changes by specific structural alterations. In this dissertation, I present a neural chip platform for manipulation of structure and function of neuronal networks during cell cultivation. First, a technological platform based on gold-nanorod-mediated thermoplasmonics, micropatterning with thermosensitive agarose hydrogel, and neural recording using a microelectrode array was constructed. The developed platform could successfully induce new neurite outgrowths or eliminate interconnecting neurites in mature neuronal networks. Second, functional changes of neuronal networks by structural alteration were analyzed. The emergence of synchronization or desynchronization between networks derived from the creation or removal of neurite connections was confirmed. Third, network activity was modulated through thermoplasmonic neural inhibition technique to estimate functional connectivity of networks. Based on activity suppression of networks, functional influence between the connected networks was evaluated. Fourth, the developed platform was applied to assays of neurite outgrowth and synaptogenesis. By utilizing the advantage of the platform that neurite guidance and connection could be induced at the desired time points, the development-dependent characteristics of cultured neurons were investigated. Taken together, the neural chip platform developed in this dissertation is expected to be useful for studying structure-function relationship and neural development of neuronal networks.
배양된 신경 네트워크는 신경 구조와 기능 사이의 관계를 탐구하기 위한 체외 모델 시스템으로 널리 연구되어 왔다. 원하는 형태의 네트워크를 설계하기 위해 다양한 패터닝 기술들이 적용되어 왔으나, 대부분 세포 배양 후에는 구조 제어가 불가능하여 특정한 연결 변화에 따른 기능적 영향을 분석하기 어렵다. 본 논문은 세포 배양 중에도 네트워크의 구조와 기능을 조절하기 위한 신경세포칩 플랫폼의 개발 및 응용을 목표로 한다. 먼저, 금 나노막대의 열플라즈모닉스, 열 민감성 하이드로겔의 미세패터닝, 미세전극칩의 신호 측정을 토대로 플랫폼을 제작하였다. 제작된 플랫폼은 배양 중인 네트워크 간에 구조적 연결을 새로 생성하거나 기존 연결을 제거할 수 있었으며, 이러한 구조적 변화에 의한 네트워크 활성 동기화 및 비동기화 현상이 관찰되었다. 다음으로, 열플라즈모닉스 기반의 억제 기술을 적용하여 네트워크 활성을 영역 선택적으로 억제하고, 연결된 네트워크 간의 기능적 연결을 추론하였다. 마지막으로, 원하는 시점에 신경돌기 성장을 유도할 수 있는 플랫폼의 장점을 활용하여, 신경돌기 성장 및 시냅스 생성의 발달 과정상의 차이를 분석하였다. 이를 통해, 본 연구에서 개발된 플랫폼이 신경 네트워크의 구조-기능 연구 및 신경 발달 분석에 적용 가능함을 확인하였다.
