단기 기억(STM) 오류의 배후에 있는 신경 기전을 이해하는 것은 인지 과정의 원리를 밝히고, 신경정신질환과 관련된 결함을 해결하는 데에 중요하다. 본 연구는 STM 오류가 감각 정보의 잘못된 표상에서 비롯되는지, 혹은 시간 경과에 따라 이러한 표상이 약화(감쇠)되는 데서 비롯되는지를 검증한다. 지연된 시점-제시-대응(delayed match-to-sample) 과제를 수행하는 마우스의 후두정피질(posterior parietal cortex, PPC)에서 2-광자 칼슘 이미징을 사용하여, 방향 선택성과 시간 선택성을 동시에 보이는 PPC 뉴런의 부분집합을 확인하였다. STM 오류가 주로 시점-제시(sample) 단계에서의 잘못된 부호화에 기인한다는 가설과 달리, 본 연구의 결과는 이러한 오류가 지연 기간 동안의 신경 활성의 드리프트(drift)와 더 강하게 연관되어 있음을 보여준다. 이 드리프트는 정답 표상으로부터 점진적으로 멀어지게 하며, 결국 잘못된 행동 반응으로 이어진다. 이러한 결과는 정확한 STM을 위해 PPC에서 안정적인 신경 표상을 유지하는 것의 중요성을 강조한다. 더 나아가, 조현병과 같은 상태에서 인지적 손상을 완화하기 위한 전략으로 지연 기간 동안 PPC 활성을 안정화하는 것을 목표로 하는 치료적 중재의 가능성을 시사한다.

세포내 기록은 밀리초 미만(서브밀리초) 단위에서 뉴런의 막전위 변화에 대한 독특한 접근을 제공하며, 세포 수준, 국소 수준 및 대규모 뇌 활동을 조율하는 역동성을 드러낸다. 그러나 기술적 요구사항은 특히 온전한 뇌(적절히 보존된 두뇌) 내에서 세포내 기록을 대규모 뉴런 집단으로 확장하는 데 한계를 부과한다. 이러한 제한을 극복하기 위해 이식 가능한 기판(shank) 따라 경사 각도로 전략적으로 통합된 초정밀 나노와이어 팁을 갖춘 Fishbone Intracellular Nanowire Electrode (FINE)가 개발되었으며, 이를 통해 온전한 뇌에서 뉴런 앙상블로부터 3차원 세포내 전위를 기록한다. 나노와이어 삽입 과정 중 FINE의 구조적 무결성을 보존하기 위해 역각(reverse-angled) 백금 실리사이드(platinum silicide, PtSi) 나노와이어를 통합하는 새로운 제작 공정이 개발되었다. 이식 직후 또는 서브미크론(sub-micron) 단위로 되감기(retraced)된 FINE은 PtSi 나노와이어를 기판에서 멀리 퍼뜨려 나노와이어-뉴런 간 친밀한 인터페이스를 형성하며, 그 결과 준(準)세포내 전위를 산출한다. 동일한 기판에서 인접한 평면(플래너) 기록과 나노와이어 기록을 비교 분석한 결과, 이들이 서로 구별되는 준세포내 기록 특성을 갖는 것이 검증되었다. FINE의 확장성은 3차원 24개의 shank 배열(594개의 나노와이어 및 430개의 평면 접점)로 시연되었고, 온전한 뇌에서 127개의 서로 다른 나노와이어 전반에 걸쳐 준세포내 전위를 성공적으로 식별하였다. FINE의 3차원 준세포내 기록은 행동과 인지에 기여하는 막횡단(transmembrane) 전위를 구동하는 복잡한 이온 전위 요동 및 패턴에 대한 상세한 조사를 가능하게 할 잠재력을 지닌다.

뇌 수술 중의 기능 매핑은 중요한 기능을 조절하며 제거될 수 없는 뇌 영역을 규정하기 위해 적용된다. 현재 이러한 절차는 신경외과의사와 전기생리학자 사이의 언어적 상호작용에 의존하고 있으며, 이는 시간이 많이 소요될 수 있다. 또한 뇌 활동을 측정하고 병적 뇌 영역과 기능적 뇌 영역의 경계를 식별하는 데 사용되는 전극 그리드는 해상도가 낮고 뇌 표면에 대한 순응도가 제한적이다. 여기서는, 미세 전기피질조영(micro-electrocorticography) 전극 그리드의 뒷면에 적층된 2048개의 GaN 발광 다이오드로 구성된 독립형 어레이로 이루어진 두개 내 뇌파(iEEG) 마이크로디스플레이의 개발을 제시한다. 설치류와 돼지에서의 일련의 개념증명(proof-of-concept) 실험을 통해, 이러한 iEEG-마이크로디스플레이가 수술 시야에서 뇌 표면에 공간적으로 대응되는 빛의 패턴을 표시함으로써 실시간 iEEG 기록을 수행하고 피질 활동을 시각화할 수 있음을 입증하였다. 더 나아가 iEEG-마이크로디스플레이는 설치류 및 돼지 모델에서 피질의 랜드마크와 병적 활동을 식별하고 표시할 수 있게 해주었다. 이중색(iEEG-microdisplay)을 이용하여, 한 색상으로는 기능적 피질 경계의 공정합(coregistration)을 수행하고, 다른 색상으로는 간질양(epileptiform) 활동과 연관된 전기적 전위의 변화를 표시하는 것을 시연하였다. iEEG-마이크로디스플레이는 임상 환경에서 병적 뇌 활동의 모니터링을 촉진할 가능성이 있다.

단기 기억(STM) 오류의 배후에 있는 신경 기전을 이해하는 것은 인지 과정의 원리를 밝히고, 신경정신질환과 관련된 결함을 해결하는 데에 중요하다. 본 연구는 STM 오류가 감각 정보의 잘못된 표상에서 비롯되는지, 혹은 시간 경과에 따라 이러한 표상이 약화(감쇠)되는 데서 비롯되는지를 검증한다. 지연된 시점-제시-대응(delayed match-to-sample) 과제를 수행하는 마우스의 후두정피질(posterior parietal cortex, PPC)에서 2-광자 칼슘 이미징을 사용하여, 방향 선택성과 시간 선택성을 동시에 보이는 PPC 뉴런의 부분집합을 확인하였다. STM 오류가 주로 시점-제시(sample) 단계에서의 잘못된 부호화에 기인한다는 가설과 달리, 본 연구의 결과는 이러한 오류가 지연 기간 동안의 신경 활성의 드리프트(drift)와 더 강하게 연관되어 있음을 보여준다. 이 드리프트는 정답 표상으로부터 점진적으로 멀어지게 하며, 결국 잘못된 행동 반응으로 이어진다. 이러한 결과는 정확한 STM을 위해 PPC에서 안정적인 신경 표상을 유지하는 것의 중요성을 강조한다. 더 나아가, 조현병과 같은 상태에서 인지적 손상을 완화하기 위한 전략으로 지연 기간 동안 PPC 활성을 안정화하는 것을 목표로 하는 치료적 중재의 가능성을 시사한다.

세포내 기록은 밀리초 미만(서브밀리초) 단위에서 뉴런의 막전위 변화에 대한 독특한 접근을 제공하며, 세포 수준, 국소 수준 및 대규모 뇌 활동을 조율하는 역동성을 드러낸다. 그러나 기술적 요구사항은 특히 온전한 뇌(적절히 보존된 두뇌) 내에서 세포내 기록을 대규모 뉴런 집단으로 확장하는 데 한계를 부과한다. 이러한 제한을 극복하기 위해 이식 가능한 기판(shank) 따라 경사 각도로 전략적으로 통합된 초정밀 나노와이어 팁을 갖춘 Fishbone Intracellular Nanowire Electrode (FINE)가 개발되었으며, 이를 통해 온전한 뇌에서 뉴런 앙상블로부터 3차원 세포내 전위를 기록한다. 나노와이어 삽입 과정 중 FINE의 구조적 무결성을 보존하기 위해 역각(reverse-angled) 백금 실리사이드(platinum silicide, PtSi) 나노와이어를 통합하는 새로운 제작 공정이 개발되었다. 이식 직후 또는 서브미크론(sub-micron) 단위로 되감기(retraced)된 FINE은 PtSi 나노와이어를 기판에서 멀리 퍼뜨려 나노와이어-뉴런 간 친밀한 인터페이스를 형성하며, 그 결과 준(準)세포내 전위를 산출한다. 동일한 기판에서 인접한 평면(플래너) 기록과 나노와이어 기록을 비교 분석한 결과, 이들이 서로 구별되는 준세포내 기록 특성을 갖는 것이 검증되었다. FINE의 확장성은 3차원 24개의 shank 배열(594개의 나노와이어 및 430개의 평면 접점)로 시연되었고, 온전한 뇌에서 127개의 서로 다른 나노와이어 전반에 걸쳐 준세포내 전위를 성공적으로 식별하였다. FINE의 3차원 준세포내 기록은 행동과 인지에 기여하는 막횡단(transmembrane) 전위를 구동하는 복잡한 이온 전위 요동 및 패턴에 대한 상세한 조사를 가능하게 할 잠재력을 지닌다.

뇌 수술 중의 기능 매핑은 중요한 기능을 조절하며 제거될 수 없는 뇌 영역을 규정하기 위해 적용된다. 현재 이러한 절차는 신경외과의사와 전기생리학자 사이의 언어적 상호작용에 의존하고 있으며, 이는 시간이 많이 소요될 수 있다. 또한 뇌 활동을 측정하고 병적 뇌 영역과 기능적 뇌 영역의 경계를 식별하는 데 사용되는 전극 그리드는 해상도가 낮고 뇌 표면에 대한 순응도가 제한적이다. 여기서는, 미세 전기피질조영(micro-electrocorticography) 전극 그리드의 뒷면에 적층된 2048개의 GaN 발광 다이오드로 구성된 독립형 어레이로 이루어진 두개 내 뇌파(iEEG) 마이크로디스플레이의 개발을 제시한다. 설치류와 돼지에서의 일련의 개념증명(proof-of-concept) 실험을 통해, 이러한 iEEG-마이크로디스플레이가 수술 시야에서 뇌 표면에 공간적으로 대응되는 빛의 패턴을 표시함으로써 실시간 iEEG 기록을 수행하고 피질 활동을 시각화할 수 있음을 입증하였다. 더 나아가 iEEG-마이크로디스플레이는 설치류 및 돼지 모델에서 피질의 랜드마크와 병적 활동을 식별하고 표시할 수 있게 해주었다. 이중색(iEEG-microdisplay)을 이용하여, 한 색상으로는 기능적 피질 경계의 공정합(coregistration)을 수행하고, 다른 색상으로는 간질양(epileptiform) 활동과 연관된 전기적 전위의 변화를 표시하는 것을 시연하였다. iEEG-마이크로디스플레이는 임상 환경에서 병적 뇌 활동의 모니터링을 촉진할 가능성이 있다.

전기생리학적 장치는 임상 환경에서 언어 기능 및 질환이 있는 뇌 영역을 지도화하고 치료적 신경조절(뉴로모듈레이션)을 수행하는 데 핵심적이며, 뇌-기계 인터페이스(brain-machine interfaces) 연구에서 광범위하게 사용된다. 그러나 기존의 임상 및 실험용 장치들은 대개 공간 분해능 또는 피질(대뇌피질) 커버리지 중 어느 한 측면에서 제한이 있다. 본 연구에서는 백금 나노로드(PtNRGrids)를 이용하여, 조밀한 전기적 연결 구조를 갖춘 재구성 가능한 박막(thin-film) 수천 채널(neurophysiological) 기록 그리드를 구현하기 위한 확장 가능한 제조 공정을 개발하였다. PtNRGrids를 통해, 임피던스가 낮은 작은(30 μm) 접점으로 구성된 수천 채널 배열을 달성하였으며, 넓은 피질 영역에 걸쳐 높은 공간 및 시간 분해능을 제공하였다. 우리는 PtNRGrids가 마취된 쥐에서 배럴 피질(barrel cortex)의 반(半)밀리미터(submillimeter) 수준 기능적 조직을 조직 구조를 포착하며 해상할 수 있음을 보여주었다. 임상 환경에서는 PtNRGrids가 각성 상태의 사람 환자가 파지(grasping) 과제를 수행하는 동안 대뇌피질 표면에서 미세하고 복잡한 시간적 역학을 해상하였다. 또한 PtNRGrids는 간질 수술을 받는 환자에서 1-mm 공간 분해능으로 간질성 방전의 공간적 확산과 역학을 확인했으며, 여기에는 직접 전기 자극에 의해 유도된 활동이 포함되었다. 종합적으로, 이러한 결과는 PtNRGrids가 뇌-기계 인터페이스와 관련된 임상 지도화(clinical mapping) 및 연구를 변화시킬 수 있는 잠재력을 보여주었다.

신경 인터페이스 기술은 인간의 뇌와 컴퓨터 간의 매끄럽고 고대역폭 연결을 가능하게 하는 새로운 가능성을 제공하며, 혁명의 문턱에 서 있다. 최근의 진보는 미세 스케일 제조 기술의 발전에 의해 주도되어, 다양한 형태(form factor)를 갖춘 정교한 신경 프로브가 개발되었고, 거시적 네트워크로부터 단일 단위(single unit)에 이르기까지 기록할 수 있는 역량을 갖추게 되었다. 이러한 플랫폼은 경질-연질(rigid-to-soft) 아키텍처를 아우르며 무기 및 유기 재료를 결합하여 뇌의 기계적·화학적 특성과의 적합성을 향상시킨다. 그럼에도 불구하고 이 분야는 여전히 주로 비생물학적 전극에 의존하고 있으며, 이는 살아있는 신경 조직의 역동적이고 복잡한 특성에 적응하는 데 있어 고유한 한계에 직면해 있다. 반면, 살아있는 생체재료(biomaterials)가 통합된 신경전자공학은 수용 환경에 적응하는 기술을 가능하게 하고, 능동적으로 양방향 인터페이스를 구축하며, 살아있는 조직에 순응하고, 살아있는 시스템의 내재된 재생 및 가소성(plasticity) 능력을 활용하여 수리를 지원할 수 있게 함으로써 새로운 가능성을 열 수 있다. 본 리뷰는 생체재료-통합 신경전자 시스템의 통합에 관한 최근의 진보, 도전 과제, 그리고 새롭게 부상하는 방향성을 개관한다. 우리는 바이오하이브리드(biohybrid) 신경 인터페이스를 in vitro 미세전극 어레이(microelectrode arrays, MEA)와 in vivo 뇌 인터페이스의 수렴으로 규정하고, (i) 장치 통합을 위한 세포 공급원(cell sources), (ii) in vitro MEA 플랫폼의 발전, (iii) in vivo 신경 인터페이싱을 위한 세포-통합, 살아있는 전극(cell-integrated, living electrodes)이라는 세 가지 주제로 리뷰를 구성한다. 세 주제를 함께 고려할 때, 이는 매끄럽고 적응적인 바이오하이브리드 신경 인터페이스로 이어지는 통합된 경로를 시사한다.

암 신경과학 분야의 선구적 연구는 교모세포종(glioma) 발달과 침윤이 부분적으로는 새로운 기능성 뉴런-종양 시냅스를 통해 일어난다는 점을 밝혀냈다. 그 결과 나타나는 과흥분성(hyperexcitability)은 질병 진행을 지속시키며, 표준 및 고해상도 전기생리학 기법을 사용하여 검출할 수 있다. 그러나 교모세포종 아형 간 차이와 이러한 변화의 국소적(위치적) 분포는 기존 문헌에서 충분히 규명되지 않았다. 이러한 교란과 그 범위를 파악하기 위해, 우리는 수술 중 두개내 전기생리학 기록을 72명의 환자에서 획득하였다(n=23 IDH-wildtype glioma, 15 IDH-mutant glioma, 28 비종양성 간질(non-tumor epilepsy) 사례, 6 운동장애(movement disorder) 사례). 기록은 표준 임상 전극(예: 6–8 접점) (ECoG, n=40), 뇌 표면에 순응하는 128–1024채널 미세전극(n=46), 그리고 Neuropixels 프로브(n=29)를 사용하여 수행하였다. 모든 기록은 전두엽, 측두엽 또는 두정엽에서 이루어졌다. 대조영 종양(enhancing tumor) 및 연관된 T2 고신호(T2 hyperintensity)에 대한 전극 위치는 분절된 수술 전 영상(segmented pre-operative imaging)에 상호정합(coregistered)된 3D 국소화(3D localization) 파이프라인을 통해 결정하였다. 평가 지표(endpoints)는 주기성 및 비주기성 성분의 모델링을 포함한 스펙트럼 파워 대역 분석과 간질 간 방전(interictal discharge)률(IIDs)이다. 대조영 종양 경계(enhancing tumor boundary)까지의 유클리드 거리(Euclidean distance)와 해부학적 지형을 따르는 지오데식 거리(geodesic distance)를, 각 참여자와 채널별로 계산하였다. 임상용 ECoG 격자(clinical ECoG grids)는 고감마파 파워(HGP), 비주기성(E/I) 기울기 또는 지수, 또는 IIDs에 대해 영역별 또는 전체적인 차이를 구별하지 못했다. 그러나 고해상도 격자를 사용했을 때, 지오데식 거리가 증가할수록 IDH-mutant 및 -wildtype 교모세포종 모두에서 고감마파 파워가 선형적으로 감소하는 양상이 관찰되었다. 유사하게, 30–50 Hz 활동의 E/I 기울기는 종양 경계로부터의 거리에 따라 선형적으로 증가하였으며, 이는 종양 주위(peritumoral) 흥분성 활동 쪽으로의 상대적 이동을 시사한다. IDH-wildtype 교모세포종은 가장 높은 HGP와 IID 비율을 보였고, 지오데식 거리는 영역 차이를 구분하는 데 있어 가장 정밀했으며, 두 가지 거리 계산 모두 IDH-mutant 종양에서 관련성이 있었다. 비종양성 사례와의 비교는 신경학적 질환 전반에 걸쳐 기전적 유사성이 존재하며, 이는 신경전기(neuroelectrical) 시그니처로 식별 가능할 수 있음을 시사하였다.

본 연구에서는 세포 활성을 검출하고 신경세포 네트워크를 광학적으로 이미징하기 위한 투명 다중채널 수직 나노튜브 전극 어레이의 제작을 보고한다. 이러한 투명 전극 어레이를 제작하기 위해, 초박형 나노월(nanowall)로 구성된 위치 및 형태 제어 ZnO 나노튜브 어레이를 투명 그래핀 층 위에 성장시키고 Ti/Au 금속 층으로 코팅하였다. 이들 다중채널 어레이를 사용하여, 1차 마우스 해마 뉴런에서 전기생리학적 신호를 개별적으로 기록하였으며, 독특한 세포내 전위 유사 신호가 기록되었다. 또한 투명 전극 어레이는 뉴런 세포체와 뉴라이트 연결부에 대한 형광 이미징을 가능하게 하였다. 본 투명 그래핀 및 나노튜브 기반 기록 장치는 뉴런 배양을 대상으로 동시 기록과 이미징을 통해 신경 활동을 조사하는 능력의 다양성을 크게 향상시키는 데 기여할 것으로 제안된다.

모듈식 조직(modular organization)은 피질 처리의 기본이지만, 인간에서 연상(association) 피질에 그 존재 여부는 알려져 있지 않다. 우리는 7명의 환자의 상측 측두이랑(superior temporal gyrus)에서 50–200µm 피치(pitch)의 128–1024 채널 미세어레이(micro-arrays)로 음소 처리(phoneme processing)를 특성화하였다. 고감마(high gamma) 반응은 직경 약 1.7mm의 모듈 내에서 매우 높은 상관성을 보였으며, 서로 인접한 모듈과는 서로 다른 시간-경과(time-courses)와 음소 선택성(phoneme-selectivity)으로 인해 뚜렷하게 경계가 구분되었다. 우리는 수용 언어(receptive language) 피질이 이산적 처리 모듈로 구성되어 있을 수 있음을 시사한다.