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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3286(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

신경 회로에 대한 이해를 높이는 데 핵심은 신경 활동을 동시에 기록하고 조절할 수 있는 최소 침습적 다중 모드 인터페이스를 개발하는 것입니다. 최근 장치는 조직의 기계적 순응도를 일치시켜 염증 반응을 줄이는 데 중점을 두었습니다. 그러나 생체 적합성과 장기 기록 기능을 더욱 향상시키기 위해서는 다중 모드 인터페이스의 크기를 줄여야 합니다. 여기에서는 신경망의 효율적인 전기 및 광학 조사를 가능하게 하는 최소 침습적 풋프린트(밀리미터 길이에 대해 직경 8-14μm)를 갖춘 다중 모달 동축 마이크로프로브 설계가 제시됩니다. 뇌에서 프로브는 강력한 전기 측정과 광유전학적 자극을 허용했습니다. 확장 가능한 제조 전략을 다양한 전기 및 광학 재료와 함께 사용할 수 있으므로 길이, 직경 및 기계적 특성을 포함한 실험 요구 사항에 맞게 프로브를 고도로 맞춤화할 수 있습니다. 무시할 수 있는 염증 반응을 고려할 때, 이 프로브는 신경 회로와의 장기적이고 최소 침습적 인터페이스를 위해 쉽게 조정 가능한 차세대 다중 모드 장치를 가능하게 할 것을 약속합니다.

미세 전극 기록은 모든 신경계 영역에서 높은 시간적 해상도로 개별 뉴런의 활동을 측정하기 위한 표준이며 행동 제어에서 신경 회로의 역할을 정의하는 데 핵심입니다. 유타 또는 미시간 어레이와 같은 미세 전극 어레이를 사용하면 밀리초 정밀도1,2로 분산 신경 활동을 추적할 수 있습니다. 그러나 큰 설치 공간과 강성으로 인해 장기 기록을 방해하는 조직 손상과 염증이 발생합니다3,4. 최첨단 Neuropixel 및 탄소 섬유 프로브는 전극 밀도를 높이고 프로브 크기와 강성을 줄임으로써 이전 장치를 개선했습니다5,6,7. 이러한 프로브는 신경 인터페이싱 분야를 발전시켰지만 차세대 장치는 동일 위치에 있는 전기 녹음 외에도 표적 자극을 가능하게 해야 합니다3,8. 광유전학 기술은 빛에 민감한 옵신9의 표적 발현 및 활성화를 통해 세포 활동의 고속 조절을 가능하게 합니다. 그러나 신경 조직의 강력한 광 산란 및 높은 흡수 특성을 고려할 때 심부 신경 회로와의 광유전학적 인터페이스에는 일반적으로 직경이 큰 강성 섬유의 이식이 필요하며, 이로 인해 이 접근 방식은 전기 대응보다 더 침습적일 수 있습니다.

이상적인 신경 프로브는 작은 단면적과 조정 가능한 길이를 유지하면서 광학 모드와 전기 모드를 결합합니다. 유전적으로 정의된 뉴런 유형 및 회로와 양방향으로 인터페이스하는 능력은 궁극적으로 신경계가 어떻게 행동을 계산하고 제어하는지 이해하는 데 핵심입니다. 이는 또한 감각운동 장애의 기계적 기초를 결정하고, 회로 활동이 부상으로 인해 어떻게 영향을 받는지, 그리고 회로 활동이 어떻게 회복되거나 촉진될 수 있는지를 정의하는 데에도 기본입니다. 광학 및 전기 양식을 통합하는 접근 방식은 기존 유타 어레이에 광섬유를 추가하는 것부터 Optetrode 또는 기타 통합된 전기 광학 동축 구조에 이르기까지 다양했습니다. 이러한 기술은 생체 내 동시 전기 기록 및 광학 자극에 대한 큰 가능성을 보여주었습니다. 그러나 장기 녹음에 대한 면역 반응을 최소화하기 위해 장치 설치 공간을 줄여야 할 필요성은 여전히 ​​존재합니다3,18,19,20,21.

이 연구에서 우리는 우리가 아는 한 작은 중앙 광섬유 코어를 둘러싸는 낮은 임피던스 전기 채널을 갖춘 가장 작은 다중 모드 동축 신경 프로브를 제시합니다. 이러한 전기광학 기계적으로 유연한(EO-Flex) 프로브는 마이크로섬유 광학 도파관 코어를 사용하거나 나노섬유 광학 코어를 사용하면 더 작은 직경을 사용하여 최소 8μm의 직경과 최대 수 밀리미터의 길이로 제작할 수 있습니다. 또한 단일 모드 광섬유(SMF)에 직접 결합하여 표준 광유전학 하드웨어에 직접 연결할 수 있는 분리 가능한 저손실 광학 인터페이스를 만들 수도 있습니다. EO-Flex 프로브의 동시 전기 기록 및 광학 자극 성능은 마우스 뇌에서 입증됩니다. 우리의 실험은 다공성 금속 전기 채널이 프로브의 작은 크기에서도 뛰어난 기록 능력을 제공한다는 것을 보여줍니다. 10dB 미만의 낮은 소스-팁 광학 손실은 표적 세포에서 옵신을 발현하는 형질전환 또는 바이러스 형질도입 마우스에서 강력한 광유전학적 자극을 허용합니다. 임플란트 연구는 최소한의 면역 반응을 보여주며, 이는 완전히 사용자 정의 가능한 프로브와 미래의 고밀도 어레이가 주변 신경 조직에 대한 방해를 최소화하면서 장기적인 인터페이스를 가능하게 해야 함을 시사합니다.