This dissertation presents novel stimulation strategy for modulation of neural activity. The ultimate goal of neuroscience is to understand how the neural activities operate brain functions, which is crucial for the purpose of brain disorder treatment. To decode the function of neurons and their activities, neuromodulation technique that can precisely control the neural activity is essential. Especially, the inhibitory tool is valuable to investigate the role of specific neurons in complex circuits. However, efficient inhibition technique has been lacked, and it is hard to suppress the activity using a conventional approach such as electrical stimulation. Although optogenetical method provides the reliable loss-of-function from target neurons, requirement of genetic modification impedes the clinical application. Here, main purpose of this dissertation is to develop the stimulation technique that can inhibit the electrical activity of unmodified neurons. This study utilized the unique property of gold nanorod that is photothermal conversion characteristics upon near infrared illumination. The photothermal effect of gold nanorods affected the neural excitability, resulting in clear inhibition phenomena. Depending on the strength of photothermal stimulation, firing rates of neurons and signal transmission along with neurites were modulated and blocked, respectively. And further studies demonstrated that the thermosensitive-potassium channel was involved in the inhibition. This photothermal stimulation was sufficient to inhibit the large network to single neuron activity using one-photon illumination, and this technique could be simply integrated with conventional neurodevices to achieve the multifunctional modality. The results in this dissertation are expected to contribute to future researches and disease therapeutics by wide adoptions in the field of neuroscience.
이 박사연구는 신경세포의 전기적 활성을 조절할 수 있는 새로운 기술 개발에 관한 것이다. 신경과학의 목표는 어떻게 신경세포들의 활성이 뇌기능을 만들어 내는지 이해하는 것이며, 이것을 통해 궁극적으로 뇌질환 치료에 기여하고자 하는 것이다. 다양한 신경세포들이 발생시키는 전기적 신호의 의미를 해석하기 위해서는 인위적으로 세포신호를 조절할 수 있는 기술 (Neuromodulation technique) 이 필수적이다. 특히, 신경세포의 활성을 억제할 수 있는 도구는 (Neural inhibition) 복잡한 신경네트웍 내에서 특정세포의 기능을 연구하는데 매우 중요하다. 하지만 전기자극과 같은 일반적인 신경활성조절 기술은 신경활성을 발생시키는데 효과적이지만, 세포활성의 억제를 유도하는데는 매우 힘들다. 최근 광유전학 기술 (Optogenetics)의 개발로 빛과 빛에 민감한 이온채널을 활용해 신경세포의 전기적 활성을 효율적으로 유도 및 억제하는 것이 가능해졌다. 하지만 이 기술은 신경세포의 유전적 변형이 반드시 선행되어야 하며, 이것은 궁극적으로 사람의 질병치료의 목적으로 활용될 수 없다는 단점이 있다.
여기서, 이 박사연구의 주목표는 세포의 유전적 변형을 가하지 않고, 신경세포의 활성을 효과적으로 억제할 수 있는 새로운 기술을 개발하는 것이다. 이 연구에서는 조직 투과성이 높은 근적외선 (Near infrared, 785 nm) 과 이 빛에 민감하게 반응하는 금 나노막대 (Gold nanorod) 를 활용했다. 금 나노막대는 특정 파장대의 빛을 흡수해 빠르게 열을 발산하는 특이한 플라즈모닉 (Plasmonic) 성질을 가지고 있다. 이러한 금 나노막대의 광열변환 (Photothermal conversion) 성질을 신경세포를 자극하기 위한 자극원으로 사용했다.
신경 네트웍에 (Neural network) 금 나노막대를 전기적 힘으로 붙인 후, 근적외선을 조사해 세포막에서 광열자극이 이루어지도록 했다. 그 결과, 신경세포의 전기적 활성이 현저하게 억제되는 것을 발견했으며 세포활성의 완벽한 억제도 유도되었다. 네트웍 활성의 억제효과는 가해주는 근적외선 레이저의 세기에 비례했으며, 장시간 및 반복적인 억제에도 세포손상은 유도되지 않았다. 또한, 근적외선의 조사 범위를 단일 세포 단위로 줄여서 하나의 세포에만 광열자극을 했을 때, 선택된 신경세포의 효과적인 억제현상이 유도됐다. 본 연구에서는 금 나노막대를 신경칩 (Multielectrode array) 표면에 균일한 밀도로 코팅하는 방법을 개발했다. 금 나노막대를 코팅한 후에도 신경칩의 전기적 특성에는 큰 영향을 미치지 않았으며, 신경세포와의 긴밀한 접촉을 유도해 효과적인 신경억제을 유도할 수 있었다. 또한, 국소적인 금 나노막대의 코팅과 여기서 발생되는 광열자극을 통해 광열자극이 신경돌기를 통한 신경활성의 전달을 억제할 수 있다는 것을 발견했다. 본 연구에서는 신경활성의 억제효과가 금 나노막대에서 발생되는 열에 의한 것임을 증명했고, 특히 높은 열에서 선택적으로 열리는 칼륨 채널 (TREK1) 이 관련되어 있다는 것을 입증했다. 금 나노막대와 근적외선을 통한 광열억제 현상은 해마 신경세포 (Hippocampal neuron) 뿐만 아니라, 대뇌 피질 세포 (Cortical neuron) 및 후신경 세포 (Olfactory neuron) 에서도 동일하게 유도 되었다. 또, 광열자극을 통해 간질성 신경활성 (Epileptiform activity) 을 정상적인 신경활성 범위로 조절 할 수 있다는 것을 증명했다. 그리고, 단일 신경세포의 억제를 통해 신경네트웍의 기능적 연결도 (Functional mapping) 를 유추해 낼 수 있었다. 본 연구에서는 실제 뇌에서의 광열자극을 하기 위해, 변형된 광섬유에 금 나노막대를 코팅해서 사용했다. 개발된 광섬유 플랫폼은 실제 뇌안에서 국소적인 열발생을 일으키기에 충분했으며, 새어나가는 근적외선으로 인한 뇌조직의 열발생은 유도되지 않았다.
이 연구는 근적외선과 금 나노막대라는 재료를 활용해 광열효과를 유도하고, 이것을 새로운 자극원으로 사용했다는 것에서 획기적이다. 기존의 유일했던 광유전학적 억제 기술과는 달리, 신경세포의 유전적 변형이 없이도 효과적인 억제효과를 유도할 수 있다는 것에서 큰 의미를 갖는다. 또한 근적외선의 높은 조직 투과성과 금 나노막대의 생체친화성 성질로 인해 기존에는 할 수 없었던 뇌심층 자극의 가능성을 제시했다. 본 연구에서 개발된 광열자극 기술은 기존의 신경칩과 같은 신경도구 (Neurodevice) 에 쉽게 적용되어 활용할 수 있기 때문에, 전반적인 신경과학 분야에서의 넓은 응용을 기대할 수 있을 것이다.
