초록 ▼

□ 연구개요
복잡한 뇌신경네트웍의 정보처리 기전을 이해하고 뇌질환을 정복하기 위해서는 뇌신경네트웍 정보를 세포단위에서 조절하고 측정하는 기술이 필수적으로 필요하다. 신경세포칩 기술은 살아있는 신경세포를 이용하여 뇌신경회로 연구에 적합한 뇌조직 모델과 분석용 툴로서, 약물스크리닝 및 신경네트웍 연구용 플랫폼을 제공한다. 본 연구에서는 기존의 전기신호 기반의 신경세포칩 기술이 갖고 있는 공간 해상도와 세포선택성의 한계점을 넘어 단일세포 수준의 자극, 센싱, 성장조절이 가능한 광-전자 하이브리드형 인터페이스칩 기술을 개발하고자 한다

□ 연구개요
복잡한 뇌신경네트웍의 정보처리 기전을 이해하고 뇌질환을 정복하기 위해서는 뇌신경네트웍 정보를 세포단위에서 조절하고 측정하는 기술이 필수적으로 필요하다. 신경세포칩 기술은 살아있는 신경세포를 이용하여 뇌신경회로 연구에 적합한 뇌조직 모델과 분석용 툴로서, 약물스크리닝 및 신경네트웍 연구용 플랫폼을 제공한다. 본 연구에서는 기존의 전기신호 기반의 신경세포칩 기술이 갖고 있는 공간 해상도와 세포선택성의 한계점을 넘어 단일세포 수준의 자극, 센싱, 성장조절이 가능한 광-전자 하이브리드형 인터페이스칩 기술을 개발하고자 한다. 이를 위하여 금속나노구조체의 플라즈모닉스를 이용하여 신경-광자극, 신경세포 광센싱, 광열효과를 이용한 가변형 네트웍 설계 기술을 연구한다. 궁극적으로 이렇게 개발된 하이브리드형 신경세포칩을 뇌신경질환 모델과 신경회로 가소성 모델에 적용하여 그 효용성을 검증하고 체외진단 및 연구용 세포칩 플랫폼으로 발전시키고자 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 플라즈모닉 나노구조체 칩 제작공정 확립 및 나노 플라즈모닉-신경세포 상호작용 연구: 근적외선 파장에 선택적 흡수성이 강한 금나노막대, 금나노별, 금나노필름을 칩형태로 제작하여 광열 자극 플랫폼으로 개발하였다. 두 가지 합성방법을 개발하였으며, 칩 표면 고정화 기술과 잉크젯 프린팅 기술을 통하여 국소 광열패턴으로 광신경자극에 성공하였다. 그리고, 플라즈모닉 나노입자의 세포 적합성과 플라즈모닉 광열효과가 신경세포에 미치는 영향을 연구하여, 플라즈모닉 칩 기판이 신경세포 인터페이스로 적합함을 알아내었다.
2. 광/전자 계측 제어 시스템 구축 및 신경세포 활성 조절 광자극칩 최적화: 광열자극을 구현하는데 있어 필요한 광 패터닝 플랫폼을 구축하여 다채널 전기측정 시스템과 형광 광이미징으로 신경세포의 전기적 반응을 측정하였다. 또, 광 패터닝을 통하여 광열자극칩의 온도 발열 분포를 정량적으로 분석하고, 네트웍의 일부 세포들만을 억제하는 실험을 수행하였다.
3. 나노광열효과를 이용한 신경세포 패터닝 기술 최적화 및 가변 네트웍 기술 검증: 플라즈모닉 나노입자로 제작한 광열자극칩을 이용하여 신경돌기 성장을 선택적으로 유도하거나 제거하는 실험을 수행하였다. 이를 미세전극칩에 적용하여 신경세포의 활동 변화를 측정하였다.
4. 뇌전증 모델을 이용한 광-전자 자극 효율 검증 및 신경네트웍 정보처리 분석툴 개발: 시험관 조건에서 배양한 신경세포들이 네트웍을 이루면서 생성하는 synchronized bursting activity pattern 을 뇌전증 신호 모델로 활용하여, 광열 자극에 의해 bursting activity를 억제하는 효과를 검증하였다. 광패터닝 시스템과 잉크젯 프린팅 광열패터닝 기술을 이용하여 신경네트웍 일부 지역의 세포 활성을 억제하면서 네트웍 전체의 활성 변화 양상을 전기적으로 측정하였다. 아울러, 칼슘 이미징/광열자극/전기신호 측정을 동시에 구현하여 전기적으로 억제현상을 보이는 세포 주변의 신경세포 활동을 비교 분석하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
- 비유전자 방식의 광 신경자극 기술 발굴
- 광열효과를 이용한 신경억제 기술 개발
- 국소 열기반 신경네트웍 활성 조절 기술의 토대 확립
- 플라즈모닉 나노입자를 기반으로 신경세포의 활성을 조절하는 플랫폼 개발
- 광자극과 다채널 신경신호 측정이 가능한 플랫폼 개발
- 대면적 나노입자 기반 광열 자극 패턴 프린팅 기술 개발
- 플라즈모닉 인터페이스를 이용한 신경네트웍 모델 제작 플랫폼 개발

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 가. 플라즈모닉 나노구조체 칩 제작공정 확립 ... 6
• 나. 나노 플라즈모닉-신경세포 상호작용 연구 ... 8
• 다. 광/전자 계측 제어 시스템 구축 ... 9
• 라. 신경세포 활성 조절 광자극칩 최적화 ... 9
• 마. 나노광열효과를 이용한 신경세포 패터닝 기술 최적화 ... 12
• 바. 플라즈모닉 광학 센싱 비교평가 실험 ... 13
• 사. 신경재생 모델을 통한 가변 네트웍 기술 검증 ... 15
• 아. 뇌전증 모델을 이용한 광-전자 자극 효율 검증 ... 17
• 자. 신경네트웍 정보처리 분석툴 개발 ... 19
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 20
• 4. 참고문헌 ... 21
• 5. 연구성과 ... 22
• 대표적 연구실적 ... 35
• 끝페이지 ... 50