[박홍규 교수팀]원자 단위로 얇은 ‘거미줄 탐침’으로 부작용 없이 뇌 신경신호를 기록한다 (Nature Communications 게재)
박홍규 교수 연구팀은 원자 단위로 얇은 그래핀과 육방정 질화 붕소 등의 2차원 물질을 사용하여 100 나노미터 두께의 세상에서 가장 얇은 새로운 뉴런 탐침을 최초로 개발했다. 거미줄 모양의 이 탐침은 기존 뉴런 탐침의 장점만을 결합한 새로운 타입의 뉴런 탐침이다. 거미줄 탐침은 기존 탐침보다 30배 이상 얇기 때문에 뛰어난 유연성과 강력한 접착력을 가지고 있다. 뇌의 표면처럼 주름지고 울퉁불퉁한 곳에서도 잘 밀착되어 안정적인 인터페이스를 형성한다.거미줄 탐침을 사용하여 살아있는 쥐의 뇌 표면에서 활동 전위를 기록한 결과, 단일 신경 활동을 안정적이고 신뢰성 있게 감지할 수 있었다. 거미줄 탐침은 뇌 조직 손상을 일으키지 않으면서도 삽입형 탐침에 필적하는 뛰어난 신호 감지 성능을 보여주었다.거미줄 탐침은 매우 얇기 때문에 100%에 가까운 투과율을 갖는다. 형광 이미징을 통해 거미줄 탐침 아래에 있는 뉴런들을 모두 관측할 수 있었는데, 거미줄 탐침의 뛰어난 투명성을 확인할 수 있었다.거미줄 탐침의 이러한 장점들을 이용해 연구팀은 체계적인 광유전학 실험을 수행했다. 두 개의 거미줄 탐침과 광자극을 통해 경로에 따라 뇌 영역 간 신경 신호 전달 시간을 측정할 수 있었다. 그 결과, 소뇌에서 체성 감각 피질로 가는 경로가 체성 감각 피질에서 소뇌로 가는 반대 경로보다 신경 신호 전달이 0.45 밀리초 더 빠르다는 것을 발견했다.
거미줄 탐침은 외부 광자극 뿐 아니라 내부 전기 자극을 통해서도 전기생리학적 신호의 측정이 가능하다. 따라서 신경과학 연구에서의 기능과 응용 분야를 더욱 확장할 수 있을 것으로 기대한다.거미줄 탐침을 대면적으로 발전시켜 뇌의 전체 영역에서 뉴런 신호를 감지할 수 있도록 연구한다면, 뇌 질환의 조기 진단과 치료 뿐 아니라, 뉴런 네트워크 연구, 신경과학 연구 등 다양한 응용 분야에서 혁신을 이끌어낼 수 있을 것으로 기대한다.
Electrophysiological recording technologies can provide valuable insights into the functioning of the central and peripheral nervous systems. Surface electrode arrays made of soft materials or implantable multi-electrode arrays with high electrode density have been widely utilized as neural probes. However, neither of these probe types can simultaneously achieve minimal invasiveness and robust neural signal detection. Here, we present an ultra-thin, minimally invasive neural probe (the “NeuroWeb”) consisting of hexagonal boron nitride and graphene, which leverages the strengths of both surface electrode array and implantable multi-electrode array. The NeuroWeb open lattice structure with a total thickness of 100 nm demonstrates high flexibility and strong adhesion, establishing a conformal and tight interface with the uneven mouse brain surface. In vivo electrophysiological recordings show that NeuroWeb detects stable single-unit activity of neurons with high signal-to-noise ratios. Furthermore, we investigate neural interactions between the somatosensory cortex and the cerebellum using transparent dual NeuroWebs and optical stimulation, and measure the times of neural signal transmission between the brain regions depending on the pathway. Therefore, NeuroWeb can be expected to pave the way for understanding complex brain networks with optical and electrophysiological mapping of the brain.
Jung Min Lee, Young-Woo Pyo, Yeon Jun Kim, Jin Hee Hong, Yonghyeon Jo, Wonshik Choi, DingchangLin, and Hong-Gyu Park
(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-023-42860-9)
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