$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Eksperymentalne i teoretyczne dowody potwierdzają możliwość, że mózg działa poprzez skoordynowaną aktywację zespołów komórkowych1-5, które można uznać za dynamiczne jednostki funkcjonalne, które przejściowo oddziałują ze sobą, kształtując i leżąc u podstaw różnych stanów mózgu. Modularność funkcjonalna jest również zależna i związana ze strukturalną organizacją modularną obwodów mózgowych6,7. To, w jaki sposób funkcja i struktura obwodów mózgowych wzajemnie się kształtują, jest nadal jednym z głównych otwartych pytań w neurobiologii. Aby zapewnić głębsze zrozumienie tego pytania, ważne jest zidentyfikowanie optymalnych ram eksperymentalnych, w których możliwe jest rozwiązanie, przynajmniej częściowo, tych problemów. Ponieważ kontrolowana manipulacja czasoprzestrzenną dynamiką sieci neuronowych w eksperymentach in vivo jest wyzwaniem, rozwój modeli sieci neuronalnych in vitro cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na ich łatwą dostępność, monitorowanie, manipulację i modelowanie8,9. W ostatnich latach technologie in vitro wspierane zaawansowanymi metodami modelowania substratów pozwoliły na skłonienie sieci neuronalnych do opracowania szeregu predefiniowanych struktur modułowych3 oraz na zbadanie właściwości funkcjonalnych sieci o narzuconych topologiach10. W szczególności ostatnio zastosowano metody organizowania sieci poprzez nakładanie fizycznych ograniczeń4,11. Rzeczywiście, aby zbadać związek między strukturą a funkcją w sieciach neuronalnych oraz zapewnić uproszczoną, ale wiarygodną reprezentację oddziałujących na siebie zespołów neuronalnych, systemy in vitro powinny zapewnić wzajemnie połączone subpopulacje neuronów. Szeroko badane jednorodne kultury neuronalne 2D nie nakładają żadnych ograniczeń przestrzennych na samoorganizujące się emergentne okablowanie obwodów. Dlatego możliwym podejściem do kształtowania sztucznie połączonych zespołów komórkowych jest umieszczanie różnych populacji neuronów w przestrzennie odrębnych obszarach. Odległość między tymi obszarami nie przeszkadza w łączeniu między zespołami. Wykazano, że takie podejście, zapewniając znaczną kontrolę nad złożonością sieci, zapewnia bogatszy repertuar modeli synchronizacji6,7,12.
Aby ułatwić powtarzalne hodowanie modułowych zespołów neuronalnych, przedstawiono i opisano protokół składania samoorganizacji sieci w klastry neuronalne połączone aksonami i dendrytami. Struktura polimeryczna do fizycznego uwięzienia kultur neuronalnych została stworzona z polidimtheylsiloxanu (PDMS). PDMS jest elastomerem szeroko stosowanym do zastosowań biomedycznych ze względu na jego biokompatybilność, przezroczystość i przepuszczalność dla gazów13. PDMS jest przygotowywany i wyłączany z mikroobrabianych struktur SU8 207514,15 poprzez powlekanie przędzalnicze ciekłego PDMS na "masterze", jak opisano wcześniej w Jackman et al. 16 Uzyskane wzorzyste sieci neuronowe składają się z połączonych ze sobą modułów o różnej wielkości i udało się je uzyskać zarówno na szkiełkach nakrywkowych, jak i na matrycach mikroelektrod (MEA)17-20. Gęstość połączeń między modułami może zmieniać cechy synchronizacji sieci, od w pełni zsynchronizowanej sieci, typowej dla jednolitych kultur, do przejściowych stanów synchronizacji między modułami.