Recently, photothermal stimulation has emerged as a technology that can regulate neuronal activity at high space-time resolution without the need for genetic modification. The focus is on finding ways to safely control neuronal activity to specific values using photothermal stimulation mediated with gold nanorods (GNRs). To achieve this, we created a real-time feedback system that reads the spike-rate of neurons in real time and automatically adjusts the power of the laser, on the three steps. First, we defined the limit of the laser power for the system to avoid thermal damage to neurons. Second, to implement a real-time closed loop system with a microcontroller and verify its operation, a system for controlling temperature by irradiating NIR light on a surface coated with gold nanoparticles was created. Third, we built a feedback system that reads the number of neuronal spikes in real time and automatically adjusts the light intensity accordingly. The system was applied to live neurons to control the target spike rate for 5 minutes and showed an RMS error of less than 0.5 Hz in all experiments. This technique could be applied to brain therapy, to neuroscience, or to brain-computer interfaces.
최근, 광열 자극은 유전자 변형이 필요없이 높은 시공간 해상도로 뉴런의 활동을 조절할 수 있는 기술로 등장했다. 여기서는 금나노입자에 의한 광열 자극을 이용해서 뉴런의 활동을 안전하게 특정 값으로 조절할 수 있는 방법을 찾는 데 초점을 맞추었다. 이를 구현하기 위해서 뉴런의 발화율을 실시간으로 읽고 레이저의 파워를 자동으로 조절하는 실시간 피드백 시스템을 세 단계로 만들었다. 첫번째로, 이 시스템의 레이저 출력의 제한을 정의하였는데 이것은 뉴런의 열 손상을 피하기 위함이다. 두번째로, 실시간 폐루프 시스템을 마이크로 컨트롤러로 구현하고 이를 검증하기 위해서 금나노입자가 코팅된 표면에 레이저를 조사하여 온도를 조절하는 시스템을 만들었다. 세번째로, 뉴런의 스파이크 개수를 실시간으로 읽고 그에 따라 빛의 세기를 자동으로 조절하는 피드백 시스템을 구축하였다. 이 시스템을 살아 있는 뉴런에 적용하여 5분 동안 목표 발화율이 되도록 제어하였고 모든 실험에서 0.5 Hz 이하의 RMS 오차의 성능을 보였다. 이 기술은 뇌 치료, 뇌 과학 연구, 뇌-컴퓨터 연결 인터페이스 기술에 적용될 수 있을 것이다.
