The ability to switch the neuronal activity in a spatio-temporally controllable means provides the opportunity to understand the intricately linked information in the brain. Recently, optical tool is able to control from neural network operating to organism behavior by stimulating the genetically programmed nerve cells. However, optical approaches have limits in low penetrability of the visible light, necessity of gene transfection and photothermal damages. Here, this study demonstrates that neuronal firing could be effectively modulated through the advanced phoththermal stimulation. In order to minimize the light absorption by the cell, near infrared was used as a photothermal energy source. And gold nanorod was optimized for absorbing the near infrared, which converted to thermal energy on the nanorod surfaces. Toxicity of gold nanorod was settled by surface coating with polyelectrolytes. Using the photothermal stimuli, this study found that neural
firing rate could be modulated by suppressing the neuron activity and it could be suppressed up to 100% with high reproducibility and long-term stability. This study represents high performance and possibility to be a new class of stimulation method. Thus, it could be applied to many neuroscientific researches and disorder therapeutics.
신경세포의 활동을 시간적, 공간적으로 조절하는 기술은 복잡한 뇌를 이해하는데 큰 도움을 준다. 최근, 빛을 이용한 세표의 자극 기술은 신경세포의 활동부터 개체의 행동까지 조절 할 수 있다. 그러나 이러한 빛 자극에서 사용되는 가시광선 빛은 투과성이 매우 낮고, 외래 유전자의 도입과 빛으로 인한 열손상의 한계를 가지고 있다. 여기서 본 연구는 광열자극을 통해 신경세포의 활동을 좀 더 효과적으로 조절할 수 있다는 것을 증명하고자 한다. 세포나 조직에 의한 빛의 흡수를 최소화 하기 위해 근적외선 (785nm)이 광열자극의 소스로 사용되었다. 그리고 이 근적외선을 최대로 흡수해 열로 바꿔 줄 수 있는 나노 금막대를 합성해 사용했다. 나노 금막대의 독성은 층상자기조립박막 기술로 표면을 코팅해 제거했다. 근적외선과 나노금막대를 이용한 신경세포의 광열자극은 신경세포 활동을 억제해 발화율을 조절하였으며, 최대 100%까지 신경세포의 활동을 억제할 뿐만 아니라 긴 시간동안 안정적으로 억제 현상을 보였다. 그래서 이 연구는 신경세포를 자극해 활동을 조절하는 새로운 방법의 자극법임을 보였다. 그리고 이것은 다양한 신경과학 연구와 신경질환의 새로운 치료법에 적용될 수 있을 것이다.
