Spiral Ganglion Neuron Explant Culture and Electrophysiology on Multi Electrode Arrays

Spiral ganglion neurons (SGNs) participate in the physiological process of hearing by relaying signals from sensory hair cells to the cochlear nucleus in the brain stem. Loss of hair cells is a major cause of sensory hearing loss. Prosthetic devices such as cochlear implants function by bypassing lost hair cells and directly stimulating SGNs electrically, allowing for restoration of hearing in deaf patients. The performance of these devices depends on the functionality of SGNs, the implantation procedure and on the distance between the electrodes and the auditory neurons. We hypothesized, that reducing the distance between the SGNs and the electrode array of the implant would allow for improved stimulation and frequency resolution, with the best results in a gapless position. Currently we lack in vitro culture systems to study, modify and optimize the interaction between auditory neurons and electrode arrays and characterize their electrophysiological response. To address these issues, we developed an in vitro bioassay using SGN cultures on a planar multi electrode array (MEA). With this method we were able to perform extracellular recording of the basal and electrically induced activity of a population of spiral ganglion neurons. We were also able to optimize stimulation protocols and analyze the response to electrical stimuli as a function of the electrode distance. This platform could also be used to optimize electrode features such as surface coatings

PDMS기반의 고원형 신경 접속 전극 구조 설계 및 구현

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·정보공학부, 2016. 2. 서종모.복잡한 표면 굴곡을 갖는 신경 조직과 효과적으로 인터페이스하기 위한 PDMS기반의 유연한 평판형 미세전극을 개발하고 그 성능을 검증하였다. 기록전극 측면에서, 기존의 요철형 전극 구조를 탈피하고 고원지형 모양의 전극을 특징으로하는 플라토(plateau)전극 제조 방법을 제안하였다. 기존의 다른 생체적합성 폴리머인 폴리이미드나 패럴린으로 제작된 다채널전극은 낮은 적합성(conformability)과 신경조직과 비교하여 높은 영률 그리고 뉴런과 전극 사이에 공기 갇힘 현상이 발생하는 한계를 가지고 있었다. 전극의 요철 구조는 뇌와 같이 부드러운 신경 조직에서는 재분포(repopulation)현상으로 문제가 완화되지만 척수와 같이 신경 다발로 이루어진 조직에서는 신호 열화의 주된 요인이 되었다. 본 연구에서사용한PDMS는생체적합성폴리머중가장신경조직과의영률이유사하고 뛰어난 적합성을 가지고 있어 기록용전극의 재료로 적합하다. 그러나 다른폴리머와 유사하게 PDMS의 소수성 특성으로 인하여 전극의 크기가 작아질수록 공기 갇힘현상이 두드러지게 발생하였고 이로인하여 실험의 신뢰성에 문제가 발생하였다. 개발된 플라토전극은 신경조직과의 적합성 및 공기 갇힘 현상을 효과적으로 해결함으로써 신뢰성있는 동물실험을 수행할 수 있었다. 자극전극 측면에서, 기존 수직형 벽면 전극의 전류 밀도 분포는 전극의 가장자리에서 가장 강하게 나타나 조직을 균일하게 자극하기 어려웠다. 하지만 전극의 벽면 모양에 따라 전극의 표면에 유기되는 전류 밀도 분포가 변하는 것을 확인하고 PDMS기반의 경사벽면을 갖는 전극 제작 기법을 제안하고 제작하였다. 경사각을 제어하기 위해서 음성감광제의 노광에너지를 변화시키는 방법을 이용하였다. 과소노광정도와 마스크와 감광제의 간격에 따라 감광제 기둥의 경사를 효율적으로 제어할 수 있으며,이를 이용하여 전극 벽면의 경사를 제어할 수 있었다. 그리고 수직 벽면 전극, 경사벽면 전극, 표면 부착형 전극구조에서 전류 밀도 분포를 검증하기 위하여 COMSOL을 이용해 전류 밀도 분포를 시뮬레이션하였다. 다층 기판 제작에 있어 가장 중요한 층간연결 기법을 기존의 수직형 층간연결에서 경사형 층간연결로 대체함으로써 도금공정없이 다층기판을 제작하는 공정 기술을 제안하였다. 그리고 층간연결 과정에서 PDMS와 금을 연결하기 위한 티타늄을 배제하는 공정을 제안함으로써 층간연결에서 발생하는 저항을 효과적을 방지하였다. 그리고 PDMS기판의 인장 및 굽힘시험을 수행하여 인장비율이4%이내에서는 단선이 발생하지 않음을 확인하였고 3000회의굽힘 실험 동안에 성능의 열화가 미미함을 확인하였다. 본 연구에서는 8개의 층간연결과 5회의 도선 교차가 발생하는 양면 기판을 제작하여 제안 기법의 유효성을 검증하였다. 기존 방식으로 제작한 오목한(recessed) 전극과 제안한 플라토 전극을 이용하여 동물 실험을 수행하였다. 오목한 전극에서는 공기 갇힘 현상으로 인하여 신뢰성 있는 신호 기록이 이루어지지 않았으나, 플라토 전극에서는 공기 갇힘 현상이 일어나지 않아 효과적으로 생체 신호를 기록할 수 있었다. 동물 실험은 두가지 환경에서 진행하였는데, 한 실험은 설치류의 회음부를 물리적으로 자극함으로써 발생하는 척수신경 신호를 기록함으 로써 자극의 유효성을 검증하였고, 다른하나는 2가지의 냄새물질을 설치류의 코에 주입한 후, 뇌의 후각망울에서 그 신호를 측정함으로써 자극의 유효성을 검증하였다.I. 서 론 1 1.1 신경 접속 기술 1 1.2 다채널 전극열 기술 4 1.2.1 폴리머 기반의 유연한 표면형 MEA 6 1.2.2 실리콘 고무 9 1.2.3 PDMS 기반의 유연한 표면형 MEA 12 1.3 PDMS기반의 반도체 공정 기술 15 1.3.1 미세 공정 문제 15 1.3.2 기록 전극 문제 16 1.3.3 자극 전극 문제 17 1.3.4 다층 기판 문제 18 1.4 요약 20 II. 연구 방법 23 2.1 PDMS를 이용한 반도체 공정 24 2.1.1 표면 처리 기술 24 2.1.2 금속 도선 식각 29 2.1.3 기존의 PDMS 패터닝 기법 42 2.1.4 제안 주물 기법 44 2.2 기록용 플라토(Plateau) 전극 50 2.2.1 플라토 전극 제작 공정 51 2.2.2 전극 프로파일 56 2.2.3 임피던스 측정 58 2.2.4 전극의 표면 접촉 성능 60 2.3 자극용 경사 전극(slated-edge electrode) 60 2.3.1 기존 전극의 전류 밀도 문제 61 2.3.2 경사 전극 제작 공정 62 2.3.3 신뢰성 실험 67 2.3.4 전극 구조에 따른 전류 밀도 분포 시뮬레이션 69 2.4 PDMS 기반의 다층 기판 제작의 필요성 69 2.4.1 MPTMS를 이용한 PDMS 표면 개질 71 2.4.2 열압착기를 이용한 PDMS박막 평탄도 향상 73 2.4.3 다층 기판을 위한 연결통로(Via) 구조 74 2.4.4 다층 기판 제작 공정 기법 75 2.4.5 정전 용량 측정 79 2.5 플라토(plateau) 전극을 이용한 동물실험 79 2.5.1 신경 신호 기록을 위한 인터페이스 제작 80 2.5.2 척수 신경 신호 기록 실험 82 2.5.3 후각망울 신경 신호 기록 실험 84 III. 결론 86 3.1 PDMS 기반의 반도체 공정 결과 86 3.1.1 PDMS 표면 개질 결과 86 3.1.2 금속 박막과 PDMS 계면의 접착력 실험 결과 86 3.1.3 금속 도선 제작 실험 결과 90 3.1.4 인장 및 굽힘 실험 결과 97 3.1.5 PDMS 패터닝 기법 결과 98 3.2 기록용 플라토 전극 제작 결과 110 3.2.1 전극 3D 프로파일 결과 111 3.2.2 임피던스 측정 결과 114 3.2.3 공기 갇힘 현상 방지 결과 117 3.3 자극용 경사 전극 제작 결과 117 3.3.1 신뢰성 실험 결과 121 3.3.2 전류 밀도 분포 시뮬레이션 결과 122 3.4 PDMS기반의 다층 기판 제작 결과 124 3.4.1 정전용량 측정결과 124 3.4.2 누화(cross talk) 잡음 127 3.4.3 레이저를 이용한 외형 절단 및 MEA 회수 130 3.5 In Vivo 실험 132 3.5.1 척수 신경 신호 기록 실험 결과 132 3.5.2 후각망울 신경 신호 기록 실험 결과 135 IV. 토의 139 4.1 PDMS 표면처리 기술 139 4.2 사진공정을 위한 음성 감광제 선택 140 4.3 유기 용액에 의한 PDMS 변형 141 4.4 주물 공정 제안 141 4.5 기록용 플라토 전극 142 4.6 자극용 완만한 경사 전극 142 4.7 다층 기판 제작을 위한 연결통로 143 V. 결론 및 향후 연구방향 144 5.1 결론 144 5.2 향후 연구방향 146 참고 문헌 148 Abstract 161Docto

A PDMS-Parylene Hybrid MultiChannel Electrode Array for Olfactory Cortical Interface

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2017. 8. 서종모.신경 조직의 손상을 최소화하고 삼차원 구조의 뇌조직과 효과적으로 인터페이스 할 수 있는 유연성 폴리머 기반에 평판형 미세 전극을 설계 및 제작하였으며 쥐의 후각영역담당 뇌피질 위에 삽입하여 특정 후각 자극에 의한 신경 신호의 패턴을 인식하고 분류하는 연구를 수행하였다. 전자코(Electronic nose)는 향기나 냄새 물질의 화학적 특성을 측정하고 분석한 장비로써 의료, 농업, 식품안전, 독극물 경고 등 다양한 분야에서 연구개발되어 사용되고 있다. 하지만 인공적으로 제작된 후각 센서의 경우 주변환경이 다채롭게 변하거나 다양한 냄세 물질이 혼합되어 있을 경우 안정적으로 후각 물질을 측정하기 어렵다. 반면에 사람과 동물의 후각 기관의 경우, 수 만가지 이상의 물질을 구별할 수 있으며 주변 환경 변화에도 강인한 특성을 보이고 높은 민감성을 보인다. 따라서 공항이나 군대에서는 동물들을 훈련시켜 마약이나 폭탄물 같은 물질을 감지한다. 하지만 이런 방식은 비용이 비싸고 훈련 기간이 길기 때문에 기존의 화학 센서를 대체하기에는 어려움이 있다. 신경접속기술을 이용하여 동물의 후각 담당 피질 영역의 신경 신호를 측정 후 패턴 인식을 통해 냄새 물질을 구별해 내는 연구가 활발히 이루어지고 있으며 이와 같은 방법으로 적은 비용으로 훈련기간 없이 동물의 후각 기관을 이용하여 냄새 물질을 찾을 수 있다. 본 연구에서는 쥐의 후각영역을 담당하는 뇌의 표면에서의 신호를 측정하여 냄새 물질을 구별해 내는 연구를 진행하였다. 조직 손상을 최소화 하면서 뇌 표면에 전극을 밀착시켜 부착하기 위해서는 유연한 기판으로 제작된 전극이 필요하다. 조직과의 유연성이 비슷한 PDMS로 제작된 생체 삽입 장치는 영률(Youngs modulus) 차이로 인해 발생되는 염증반응이나 조직 손상을 최소화 할 수 있으며 조직과의 접착력이 뛰어나 장시간 안정적으로 부착될 수 있다. 하지만 PDMS 기반에 미세전자기계시스템 (micro electro mechanical systems) 공정은 PDMS의 물리적 성질 때문에 금속 박리, 갈라짐, 열팽창등 많은 어려움을 가지고 있다. 이점을 개선하기 위하여 수 μm의 얇은 패럴린(Parylene-C) 박막을 이용해 PDMS 공정 단점을 보완한 공정 방식을 개발하였다. 또한 기존 전극에 오목 구조로 인해 발생되는 공기 갇힘현상과 신호 열화 현상을 방지하기 위하여 전극 표면이 가져야할 구조적 조건들에 대해 이론적으로 조사하였고, 이를 바탕으로 볼록한 언덕 구조를 가지는 전극을 제작하였다. 쥐의 후각 신경을 담당하는 주요 후각 망울(main olfactory bulb) 에 제작된 전극을 삽입하고 5가지 물질을 노출시켜 총 100개의 후각 신호를 측정하였다. 신호전처리(preprocessing) 과정을 거친 후 이산 복소 모렛 웨이블릿(discrete complex morlet wavelet) 변환을 이용해 특정 주파수 영역에서의 신경 신호 데이터를 추출하였다. 추출된 데이터를 주요성분분석(principle component analysis)을 통해 차원축소(dimension reduction)를 수행하였고 세가지 종류의 분류기(classifier)에 신경 신호 데이터를 학습시켜 후각 신경 신호의 패턴을 인식하고 분류하였다. 100개의 후각 신호중 랜덤하게 90개를 뽑아서 분류기 학습에 사용되었으며 나머지 10개로 학습된 분류기의 성능을 평가하였다. 총 10번의 반복 실험을 통해 얻는 결과를 평균하여 분류기의 정확도를 측정하였다. 분류기로 사용된 알고리즘은 선형 판별 분석(Linear discriminant analysis, LDA), 서포트 벡터 머신(Support vector machine, SVM), 다층인지(multilayer perception MLP) 방식이며 실험 결과 다층인지 방식이 다른 두 방식에 비해 월등한 성능을 보였다.1. 서 론 １ 1.1. 전자코의 활용분야와 한계 １ 1.2. 생체 후각 기관 １ 1.3. 두뇌-컴퓨터 인터페이스 ３ 1.4. 쥐 후각 자극에 따른 신호 측정 및 분류 ６ 1.5. 뇌피질전도 ８ 1.6. 폴리머 기반의 유연한 평판형 다채널 전극 １１ 1.7. PDMS 기반 뇌피질전도 신경 전극 １６ 1.7.1. 미세 공정 문제 １６ 1.7.2. 기록 전극 문제 １６ 1.8. 요 약 １７ 2. 연구 방법 １９ 2.1. 문어발 모양의 도랑구조가 없는 전극 디자인 １９ 2.2. 미세 패턴 반도체 공정 기술 ２１ 2.2.1. 표면 처리 기술 ２１ 2.2.2. PDMS-패럴린 하이브리드 공정 기술 ２１ 2.2.3. TMAH 이등방성 식각. ２３ 2.3. 기록 성능 향상을 위한 구조적 설계 이론 ２５ 2.3.1. 공기방울 갇힘 현상에 대한 이론적 분석 ２５ 2.3.1.1. 계면에너지와 접촉각 ２６ 2.3.1.2. 도랑(trench)에서의 공기 갇힘 현상 분석 ２７ 2.3.1.3. 공기 갇힘 현상을 없애기 위한 PDMS 전극 설계 ２９ 2.4. PDMS-패럴린 하이브리드 전극 제작 방법 ３１ 2.4.1. 벽면에 경사가 있는 감광제 패턴을 이용한 방법 ３１ 2.4.2. PDMS 식각 방법의 단점 ３５ 2.4.3. 실리콘 이등방성 식각을 이용한 방식 ３８ 2.5. 동물 실험 ４１ 2.5.1. 동물 전극 삽입을 위한 정위 수술 ４１ 2.5.2. 동물 후각 자극기 ４２ 2.5.3. 후각 자극 실험 방법 ４４ 2.5.4. 신경 데이터 획득 방식 ４６ 2.6. 패턴 분류 기법 ４９ 2.6.1. 선형 판별 분석 ４９ 2.6.2. 서포트 백터 머신 ５１ 2.6.3. 다층인지 (multilayer perception MLP) ５１ 2.7. 후각 자극 신호 분류를 위한 머신러닝 알고리즘 ５３ 3. 결론 및 토의 ５６ 3.1. PDMS 문어발 형태의 밀착력 비교와 도랑 구조에 공기 방울 갇힘 현상 실험결과 ５６ 3.2. PDMS 패럴린 하이브리드 공정 ５６ 3.2.1. 열팽창율과 유연성에 따른 박막 손상 방지 결과 ５８ 3.2.2. 금속 박막과 PDMS/패럴린 계면의 접착력 실험 결과 ６０ 3.2.3. PDMS 와 패럴린의 조직과의 접착력 비교 실험 결과 ６４ 3.3. 볼록 구조 전극 제작 ６６ 3.4. 전극 임피던스 측정 결과 ６９ 3.5. 후각 자극 동물 실험 ７０ 3.6. 머신러닝을 통한 후각 자극 신호 분류 ７３ 4. 결론 및 향후 연구 방향 ７５Docto

Investigation of single, binary, and ternary metal oxides of iridium, rhodium, and palladium for neural interfacing applications

In this dissertation, thin film single, binary, and ternary metal oxides of iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), and palladium (Pd) were synthesized for use as electrode/microelectrode coatings for neural interfacing applications using DC reactive magnetron sputtering. Synthesis conditions which enhanced the electrochemical properties of films as measured by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy in a phosphate buffered saline solution of the single metal oxides were identified to be 30 mTorr working pressure, 20% oxygen partial pressure, and cathode power densities ≤ 4.9 W/cm2. These parameters were then used to develop the binary and ternary metal oxide films. The binary metal oxides studied included Ir(1-x)Mx where M = Pd, Rh, Ru, and the ternary metal oxides studied included Ir(1-x-z)MxMz’, where M,M´ = Pd, Rh, and Ru. The binary metal oxide concentrations which produce robust microstructures and exceptional electrochemical performance have been identified to be x ≥ 0.5 for Ir(1-x)RhxOy, x ≥ 0.34 for Ir(1-x)RuxOy, and x ≥ 0.14 for Ir(1-x)PdxOy. Similar compositional ranges have been identified for the ternary metal oxides and include x ≥ 0.16 and z ≥ 0.05 for Ir(1-x-z)PdxRuzOy, x ≥ 0.13 and z ≥ 0.04 for Ir(1-x-z)PdxRhzOy, and x ≥ 0.2 and z ≥ 0.14 for Ir(1-x-z)RuxRhzOy