[표영우 대학원생, 김희근 대학원생, 박홍규 교수] 다중 뇌영역을 실시간으로 자극하고 측정할 수 있는 그래핀 기반의 초박막 신경 인터페이스 개발 (ACS Nano 논문 게재)
전기생리학적 측정 기술은 중추 및 말초 신경계의 기능을 이해하기 위해 필수적이다. 특히 표면 전극 배열(surface electrode array)과 같은 비침습적 신경 인터페이스는 면역 반응을 유발하지 않으면서 안정적인 전기생리 신호를 제공할 수 있다. 그러나 기존의 인터페이스는 국소적인 기록 위치에 한정되기 때문에 여러 뇌 영역에 걸친 복잡한 상호작용을 기록하는데 한계가 있다. 박홍규 교수 연구팀은 광범위한 피질 영역에서의 신경 기록 및 자극이 가능한 초박막 신경 인터페이스, ‘Large-area NeuroWeb(LNW)’ 구조를 개발했다. LNW는 육방정계 질화붕소(h-BN)와 그래핀을 사용하여 측정 영역의 전체 두께가 약 100 nm에 불과하다. 이를 통해 뇌 표면과 전극 간의 거리를 최소화함으로써 고해상도 단일 뉴런 신호 기록이 가능하다. 또한, 총 64개의 플래티넘(Pt) 전극이 4개의 측정 영역에 분포되어 있어 하나의 장치만으로 뇌의 넓은 영역에서의 신경 활동을 동시에 측정할 수 있다. 생체 내 실험에서 LNW를 쥐의 뇌 표면에 부착한 후 7일 동안 단일 뉴런 수준의 고품질 신호를 안정적으로 기록할 수 있었다. 특히, 여러 개의 장치를 사용하는 대신 단일 장치만으로 넓은 영역의 뉴런 신호를 모두 기록할 수 있어 실험 절차를 간소화하고 조직 손상과 염증 반응을 크게 줄일 수 있었다. 더 나아가, 수염 자극 및 전기 자극 실험을 통해 뇌 영역별 정밀한 신호를 기록했을 뿐 아니라, 전기를 통한 신경의 자극까지 수행하여 양방향 인터페이스로의 확장까지 확인했다. 이 연구는 LNW를 이용해 신경 역학의 포괄적이고 정밀한 매핑 및 자극을 가능하게 함으로써, 향후 신경 회로 분석 및 뇌-기계 인터페이스와 같은 연구의 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
Electrophysiological measurement techniques are essential for understanding the functions of the central and peripheral nervous systems. Specifically, noninvasive neural probes, such as surface electrode arrays, provide stable electrophysiological recordings without eliciting an immuno-logical response. However, the ability to capture complex interactions across multiple brain regions is limited by their localized recording site. Here, we present the “large-area NeuroWeb (LNW)”, an ultrathin, minimally invasive neural probe designed for extensive cortical recording and stimulation. LNW consists of four recording areas, each containing 16-channel platinum electrodes interconnected by graphene networks. In vivo experiments of the mouse brain exhibit stable, high-quality single-unit spike recordings for up to 7 days post-surgery. Simultaneous high-resolution neural activity recordings are performed across left/right somatosensory cortex and cerebellum, simplifying the experimental procedure by eliminating the necessity for multiple synchronized probes, thus reducing tissue displacement and inflammation. Furthermore, whisker and electrical stimulations demonstrate that the LNW has precise and bidirectional connections with neurons for reliable, region-specific signal acquisition and activation. These findings highlight the capability of LNW to facilitate comprehensive and accurate mapping of neuronal dynamics, thereby advancing brain−machine interfaces and neural prostheses.
논문제목: Graphene-Integrated Ultrathin Neural Probe for Multiregional Cortical Recordings