Photometry and optogenetics are representative techniques for each optical neural recording and neuromodulation. Both have been powerful tools for studying complex networks of neurons owing to their cell-type specificity and high spatiotemporal resolution. Conventional methods depend on a fiber to deliver and collect optical signals, imposing limits including impediments to the natural behaviors of subjects and a requirement of complex external systems. Using a wireless brain implant integrated with microscale optoelectronics has removed such restraints, allowing separate wireless photometry or optogenetics. Still, current brain implants for wireless photometry employ an absorber-based optical notch filter and are unable to combine with optogenetics of different wavelengths. Here, a brain implant based on an optical bandpass filter simultaneously utilizing different wavelengths to implement wireless photometry and optogenetics is presented. The brain implant comprises a thin probe integrated with microscale optoelectronics, a transferable and narrow bandpass optical filter, and a module for wireless communication. Without external equipment, the brain implant successfully conducts wireless photometry and optogenetics of different wavelengths.
광도 측정법과 광유전학은 각각 빛을 이용한 뇌 신경 활동의 측정과 뇌 신경 제어의 대표적인 기술이다. 세포 유형 특이성과 높은 시공간적 해상도를 갖는 두 기술은 뇌의 복잡한 신경망을 연구하기 위한 강력한 도구로써 사용되고 있다. 기존에는 빛 전달과 수집을 위해 광섬유를 사용했고 이러한 방식은 실험 대상의 움직임을 방해하고 복잡한 외부 장비를 필요로 하는 문제가 있다. 미소 규모의 광전자소자를 결합한 무선 뇌 이식 장치의 사용은 광섬유 기반 방식의 문제를 해결했고 개별적인 무선 광도 측정법 또는 광유전학의 수행을 가능하게 하였다. 하지만 현재의 무선 광도 측정법을 위한 뇌 이식 장치는 흡수제 기반 대역 차단 광학 필터에 의존하여 다른 파장을 사용한 광유전학을 동시에 수행할 수 없다. 본 학위 논문에서는 대역 통과 광학 필터를 사용하여 서로 다른 파장을 사용한 무선 광도 측정법과 광유전학이 모두 가능한 뇌 이식 장치를 소개한다. 개발한 뇌 이식 장치는 미소 규모의 광학 소자가 결합된 탐칩, 원하는 크기로 전사 가능한 대역 통과 광학 필터, 무선 통신을 위한 모듈로 구성되어 있다. 이 장치는 일체의 외부 장비 없이 스마트폰을 이용해 동작하여 무선으로 광도 측정법과 광유전학을 모두 수행할 수 있다.
