Neural interfaces have evolved to open new possibilities in research methodologies in neuroscience. Here specifically, the development of flexible and biocompatible neural interfaces has enabled long-term observation of neural circuits. In this thesis, the development and application of a novel fiber-type neural interface are proposed. The device was designed to accommodate multiple functionalities geared toward optogenetics such as optical stimulations and electrophysiological recording via the thermal drawing processing (TDP) and additional assembly of external components. In detail, the TDP was first used to fabricate polymer waveguide fibers that consist of PC and PMMA. And then, CNT sheets drawn from vertically oriented nanotube arrays (forests) were manually wrapped on the surface of the fiber to be utilized as an organic electrode. Due to the manufacturing scheme, all components of the device are aligned longitudinally and exhibit radial symmetry of functionality at the fiber tip. We demonstrate that CNT sheet-based neural fibers are capable of recording of multi-unit activity with simultaneous optical stimulation in the CA3 hippocampus of transgenic $\textit{Thy1-ChR2-eYFP}$ mice. We also confirm the behavioral response of locomotor activation and hindlimb movement through optical stimulation of the M2 cortex and spinal cord, respectively. Some further suggestions regarding the future potential of these fibers including applications in spinal cord optogenetic experiments, miniature bundle type fibers, and MRI compatible devices are given. Through these studies, it is shown that the proposal of this device as well as the novel scheme of the CNT-sheet electrodes and its integration present a versatile platform for next-generation integrated multifunctional device fabrication.
신경 인터페이스는 신경과학 연구의 필수적 도구로 그 요구에 맞게 기능이 추가되거나 변형된 디자인을 통한 실험이 고안되는 등 상호보완적으로 발전하는 경향을 보인다. 최근 복잡한 뇌 기능 이해를 위한 장기간 연구의 필요성이 대두됨에 따라 유연하고 생체적합성이 뛰어나 수명이 긴 신경 인터페이스에 대한 요구가 있어왔다. 따라서 본 연구에서는 광 유전학을 이용한 광 자극, 전기생리학적 신호 기록 기능을 갖춘 다기 능성 장기간 사용 가능 신경 인터페이스로 탄소나노튜브 시트 기반의 섬유형 디바이스를 제안하고자 한다. 열 인발공정으로 제작된 열가소성 폴리머 광섬유 위에 수직방향으로 정렬된 탄소나노튜브 포레스트로부터 뽑아낸 시트 전극을 감는 방식으로 각 요소를 병합하고자 했다. 섬유형 디바이스의 각 구성요소들은 길이 방향으로 정렬되어 있기에 끝 단에서의 기능 발현이 모든 방향에 대해 동일하게 이루어진다. 우리는 신경 인터페이스의 기계적, 전기적, 광학적 특성을 확인한 이후 기능 확인을 위해 중추신경계를 대상으로 생체 내 삽입실험을진행하였다. 광학적신호에대한신경활성반응관찰과더불어운동피질과척수를자극했을때 나타나는 행동 변화를 성공적으로 확인하였다. 더 나아가 자기공명영상 장치와의 공존 가능성과 섬유 다발 형태의 다채널 장비 디자인을 제안하고자 한다. 우리는 당면한 신경과학적 물음을 해결할 차세대 마이크로 신경 인터페이스로 이 탄소나노튜브 시트 기반의 섬유형 신경 인터페이스가 활용될 것으로 기대하고 있다.
