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Surface modification of neural interfaces for electrical and optical measurements of neural activities = 신경활성의 전기 및 광학적 측정을 위한 신경 인터페이스 표면 구조 연구
서명 / 저자 Surface modification of neural interfaces for electrical and optical measurements of neural activities = 신경활성의 전기 및 광학적 측정을 위한 신경 인터페이스 표면 구조 연구 / Raeyoung Kim.
저자명 Kim, Raeyoung ; 김래영
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

The neural interface is one of the most important parameter that influences the quality of neural activity recording. Thus, it is essential to construct highly sensitive neural interfaces. In this dissertation, I focused on the surface modification of neural interfaces for electrical and optical recordings of neural activities. First, the mechanically stable platinum black microelectrode was developed. The polydopamine and platinum black hybrids were fabricated by the electrochemical layer-by-layer coating. The electrical properties of hybrids were comparable to conventionally used platinum black microelectrodes, and the hybrids endured the harsh external physical agitations. The developed polydopamine-platinum black hybrids were also efficient for recording electrical activities of cultured neural networks. Second, the improvements of the electrical properties of conducting polymer microelectrodes were achieved through polydopamine incorporation. Polydopamine itself is not conductive material but polydopamine incorporated PEDOT showed a high level of charge injection limit and low level of impedance. Also, they were appropriate for recording and stimulation of neural networks. Third, the optical imaging system providing high-speed recording was constructed. Utilizing a digital micromirror for light pattern generator, targeted areas were serially illuminated with high frame rate. A photomultiplier tube recorded the fluorescence signals from targets with the high sampling frequency. The performance of the system was confirmed by calcium and voltage imaging of cultured neural networks. Forth, gold nanoplasmonic substrates were fabricated to enhance the efficiency of optical imaging of neural activities. GNRs were synthesized to have similar spectral properties with the voltage dye, a widely used voltage sensitive dye di-8-ANEPPS, and immobilized on culture substrates. Layer-by-layer coating of polyelectrolytes was conducted to construct a spacer between GNRs and fluorophores that controls the distance. The voltage sensitive dye loaded neurons showed enhanced fluorescence signals when they were cultured on GNR substrates. The enhancement effect was 4.78 based on the increment of peak values, but it was difficult to find the enhancement effect on neural activity imaging.

신경 활성을 효율적으로 측정하려면 고품질의 신경 인터페이스가 필요하다. 본 논문은 신경 활성의 전기 및 광학적 측정에 적합한 신경 인터페이스 표면 구조를 연구하였다. 먼저 백금흑 미세전극의 기계적 안정성을 강화하여 신경 측정 환경의 안정성을 높였다. 폴리도파민과 백금흑을 번갈아 적층하면 백금흑의 전기적 특성을 유지하면서 기계적으로 높은 안정성을 가지는 백금흑 구조를 미세전극 위에 제작할 수 있었다. 제작된 백금흑 구조는 배양된 신경세포망의 활성을 효과적으로 측정했다. 두 번째로 폴리도파민을 전도성 폴리머에 도입하여 미세전극의 전기적 특성을 향상시켰다. 폴리도파민은 전도성이 낮은 물질이지만 전도성 폴리머와 함께 미세전극 물질로 사용되자 전극의 자극 특성을 향상시키는 결과를 보였다. 제작된 전도성 폴리머 전극을 이용해 신경세포의 자발적 활성을 측정하고 전기자극을 통해 반응 신호를 얻을 수 있었다. 세 번째로 신경 활성 측정에 적합한 고속 이미징 시스템을 구축했다. 디지털 미소거울 장치와 광전 증폭관을 광학 시스템에 도입해 자유로운 영역 설정과 고속 측정이 가능하게 했다. 네 번째로 신경 활성 이미징 효율을 높이기 위한 금 플라즈모닉 기판을 제작하였다. 플라즈모닉 기판은 전압민감성 염료의 파장 특성에 최적화한 금 나노막대 입자를 기판에 고정시키고 다층 코팅된 고분자 레이어를 스페이서로 사용했다. 제작된 플라즈모닉 기판 상에서 신경 세포는 일반 기판에 비해 높은 형광 세기를 보였다. 그러나 절대적인 형광 세기는 증가한 반면 신경 활성을 나타내는 상대적 형광 세기는 크기의 변화를 관찰할 수 없었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DBIS 19003
형태사항 xiii, 192 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김래영
지도교수의 영문표기 : Yoonkey Nam
지도교수의 한글표기 : 남윤기
Appendix : 1, Illustration of microelectrode arrays. - 2, pDA-PtBK hybrids. - 3, PEDOT/pDA hybrids. - 4, High-speed optical imaging system. - 5, Plasmonic GNR substrates
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 바이오및뇌공학과,
서지주기 References : p. 145-166
주제 Neural interface
microelectrode
surface nanostructure
high-speed imaging
plasmonic substrate
신경 인터페이스
미세전극
표면 나노구조
고속 이미징
플라즈모닉 기판
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