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[Publication] Closed-loop neural control

10/23/2021

* Image credit: Yujin An

우리 연구실 석사 졸업생 안유진의 연구결과가 신경공학분야 국제저명학술지 Journal of Neural Engineering 에 게재승인 되었습니다. 이 연구는 최신 신경공학 분야의 화두인 closed-loop neural control 을 우리 연구실에서 개발한 열플라즈모닉 광열신경자극 기술에 적용하여 신경세포의 발화율을 정밀하게 제어할 수 있음을 보인 연구입니다.

Yujin An's work on the application of closed-loop neural control to thermoplasmonic neural stimulation technique is now accepted in Journal of Neural Engineering. We showed for the first time that the thermoplasmonic neural inhibition mechanism can be used to precisely control neural firing rates in real time. This is open lots of new possibilities for our thermoplasmonic neural stimulation technique.

Y An, Y Nam*, "Closed-loop control of neural spike rate of cultured neurons using a thermoplasmonics-based photothermal neural stimulation", Journal of Neural Engineering. 2021. Accepted. (link)

[Publication] Label-free 3D Neuron Imaging

10/16/2021

박사과정 윤동조 학생이 공동으로 주도한 3차원 신경세포 이미징 기술에 대한 연구가 바이오광학분야 국제저명학술지 Biomedical Optical Express 저널에 게재되었습니다.
이번 연구는 물리학과 박용근 교수님 연구실과 공동으로 진행하였으며, optical diffraction tomography 기술을 이용하여 3차원 공간에 배양한 신경세포의 성장을 형광 염색 없이 비표지(label-free) 방식으로 관찰이 가능함을 보인 논문입니다. 윤동조 학생은 이 연구에서 3차원 세포배양을 주도하여 공동 제 1저자로 참여하였습니다.

A Lee, DJ Yoon, SY Han, H Hugonnet, WS Park, JK Park, Y Nam*, and YK Park, "Label-free monitoring of 3D cortical neuronal growth in vitro using optical diffraction tomography", Biomedical Optical Express. 2021:12(11);pp. 6928-6939. (link)

[홍보자료] 금나노입자를 통한 신경세포 활성 측정칩 개발

10/16/2021

우리 연구실 졸업생 김래영 박사 (현, 삼성전자)가 재학 중 수행한 신경세포 활성의 광학적 측정 인터페이스에 관한 학위논문연구가 (사)한국바이오칩학회에서 발행하는 국제학술지 (SCIE 급) BioChip Journal 6월호 표지 논문으로 선정되었다.

이 연구에서 연구진은 금나노막대(gold nanorod) 기반의 나노플라즈모닉 칩을 이용하여 신경세포 막전위 측정용 염료의 형광 신호 세기를 증강시키는데 성공하였다. 연구진은 신경세포의 막전위를 고해상도로 측정하는 전위 민감 염료(voltage-sensitive dye)의 낮은 신호세기를 극복하기 위하여, 염료의 emission 피크 파장에 흡광율을 맞춘 금나노막대칩을 제작하고, 형광신호 세기 증강 효과를 유도하기 위하여 세포-나노입자 간 거리를 최적화하였다. 그 결과, 기존 대비 약 5배의 신호세기 증강효과를 얻을 수 있었다.

지도교수인 남윤기 교수는 “이번 연구는 최근 주목받는 나노입자 기반 신경인터페이스 기술을 선도하는 연구결과를 얻었다는데 큰 의의를 갖으며, 향후 이를 활용한 다양한 신경신호 측정 기술이 등장할 것을 기대한다”고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었다.

관련 논문:

Raeyoung Kim and Yoonkey Nam*, "Fabrication of a Nanoplasmonic Chip to Enhance Neuron Membrane Potential Imaging by Metal-Enhanced Fluorescence Effect ", BioChip Journal. 2021;15:171–178.(link)

[Publication] Book chapter

6/25/2021

Professor Nam has been invited to contributed to the new handbook published by Springer ('Handbook fo Neuroengineering'). It was edited by Prof. Nitisch V. Thakor who is the leading researcher in Neuroengineering.

Prof. Nam's chapter is titled 'State-of-the-Art Technology on MEAs for Interfacing Live Neurons'.
This chapter reviews the fundamental principles of in vitro microelectrode array technology, and reviews recent advances in this field.

For more information, please visit the publisher website:
https://doi.org/10.1007/978-981-15-2848-4_8-2

Nam Y. (2021) State-of-the-Art Technology on MEAs for Interfacing Live Neurons. In: Thakor N.V. (eds) Handbook of Neuroengineering. Springer, Singapore.

[Journal cover] BioChip Journal

6/10/2021

BioChip Journal Volume 15 Issue 2 Cover (link)
The TEM images of gold nanorods(GNRs):
A GNR-based nanoplasmonic chip was efficient to intensify the fluorescence signals of voltage-sensitive dyes, showing the potential to improve the quality of neuronal membrane potential imaging.

석사/박사과정 신입생 모집

3/1/2021

신경공학 연구실에서는 신경세포칩 기술 연구를 함께할 대학원생(국비/카이스트장학생 석사과정, 박사과정)을 모집합니다. 남윤기 교수 지도학생이 되시면, 연구실 프로젝트에 참여할 기회가 제공됩니다.

현재 진행 중인 프로젝트는 '신경네트웍 분석을 위한 광-전자 하이브리드형 신경세포칩 플랫폼 기술' 이며, 다양한 신경세포칩 공학기술을 접해 볼 수 있습니다.
- 금나노입자 기반 나노신경인터페이스
- 광기반 신경자극 기술
- 미세전극칩을 이용한 다채널 신경신호 측정 및 분석 기술
- 3차원 신경세포 배양 기술

관련 연구내용은 최신 언론보도를 참조하세요.
https://neuros.kaist.ac.kr/news/press-release9828250
www.nature.com/articles/s41467-020-20060-z

상시 면담이 가능하며,
자세한 사항은 연구책임자 이메일 (ynam@kaist.ac.kr) 로 문의하시기 바랍니다.

학부 개별연구 학생 모집

3/1/2021

신경공학연구실에서는 학부생들에게 연구실 생활을 경험하고,
신경공학에 대한 보다 깊은 공부를 해볼 수 있는 기회를 제공하고 있습니다.

2, 3학년의 경우 연구실 세미나 참석 및 논문 발표로 진행되며
4학년의 경우 졸업연구 수행도 가능합니다.

다음과 같은 연구주제들을 접할 수 있습니다.
- 나노기술 융합 신경인터페이스 (neural interface)
- 광/전기 기반 신경자극 기술 (neuromodulation)
- 미세 신경전극칩 제작, 활용 기술 (microelectrode array)
- 다채널 신경신호 측정 및 분석 기술 (neural signal processing)
- 2/3차원 신경세포 배양 기술 (neural tissue engineering)

관심 있는 학생들은 남윤기 교수(ynam@kaist.ac.kr)에게 연락바랍니다.

By Yoonkey Nam, Image of the Week @ Beckman Institute, UIUC (link)

PUBLICATION: Biochip Journal

2/22/2021

Fabrication of a Nanoplasmonic Chip to Enhance Neuron Membrane Potential Imaging by Metal-Enhanced Fluorescence Effect

Dr. Raeyoung Kim's PhD work on the study of nanoplasmonics based metal-enhanced fluorescence effect on voltage-sensitive dye imaging was published in BioChip Journal.

Congratulations!

Source: Kim & Nam, BioChip J (2021) (link)

[Press Release] 신경 네트워크의 연결을 실시간으로 조절 가능한 신경 칩 플랫폼 개발

1/6/2021

우리 연구실 홍나리 박사과정 연구성과가 언론을 통해 소개되었습니다. (2021/01/06)

출처(카이스트 홈페이지): https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=11830

신경 네트워크의 연결을 실시간으로 조절 가능한 신경 칩 플랫폼 개발

우리 대학 바이오및뇌공학과 남윤기 교수 연구팀이 나노입자 기술을 기반으로 시험관 조건에서 배양한 신경 네트워크의 연결을 실시간으로 조절할 수 있는 신경칩 플랫폼을 개발했다고 7일 밝혔다.
이번 연구는 신경 네트워크의 구조를 조절하기 위한 기존의 많은 세포 형태화 기술이 세포 배양 이전 단계에만 적용 가능한 데 반해, 네트워크의 발달 및 성숙 단계에서도 도입할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
바이오및뇌공학과 홍나리 박사과정(지도교수:남윤기)이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 12월 9일 字에 게재됐다. (논문명: Thermoplasmonic neural chip platform for in situ manipulation of neuronal connections in vitro)
우리 뇌의 복잡한 구조를 모방하는 신경 네트워크 모델을 체외 조건에서 구현하기 위해서는 신경세포의 위치와 연결을 원하는 구조에 맞춰 정렬하는 기술이 필요하며, 이를 위해 다양한 방식의 미세공정 기법을 통한 신경세포 형태화 기술이 개발돼왔다.
그러나 이러한 기술들은 세포를 배양하기 전에 배양기판의 표면을 개질하는 방법을 기반으로 하고 있어 배양 초기 단계에서 원하는 네트워크의 구조를 통제하는 것은 가능하나, 이후 수일 또는 수 주에 걸친 세포 간 네트워크 형성 과정 중에 네트워크 연결을 조절하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있었다.
연구진은 세포 배양 중에도 신경 네트워크의 구조와 기능을 실시간으로 조절할 수 있는 기술을 개발하기 위해, `아가로즈 하이드로겔 (agarose hydrogel), 금 나노막대, 미세 전극 칩' 기반의 신경 칩 플랫폼을 제작했다. 해초로부터 추출한 물질로 조직공학 분야에서 활용되고 있는 아가로즈 하이드로겔은 신경세포의 흡착을 방해하는 세포 반발성을 가지고 있어, 배양기판 상에 다양한 형태의 패턴을 제작해 이 물질이 없는 영역에만 한정적으로 신경 네트워크를 형성시킬 수 있다.
또한 아가로즈 하이드로겔은 열에 의해 녹는 특성이 있어, 국소적인 열을 통해 특정한 위치의 하이드로겔을 제거할 수 있다. 연구진은 원하는 영역에만 국소적 열을 발생시키기 위한 매개체로 금 나노막대를 사용했다. 금 나노막대는 근적외선을 선택적으로 흡수해 열을 발생시킬 수 있는 광열 특성이 있다. 마지막으로 미세 전극 칩은 신경세포의 전기적 신호를 비침습적으로 장기간 측정한다.
연구진은 배양기판인 미세 전극 칩 위에 금 나노막대 층을 형성하고, 그 위에 미세 패턴을 지닌 아가로즈 하이드로겔 층을 제작함으로써, 각 미세 패턴 안에 독립된 신경 네트워크들을 구축했다. 다음으로 개발된 플랫폼을 통해 세 가지의 다른 조작 방식으로 신경 네트워크의 구조와 기능을 조절할 수 있음을 실험적으로 확인했다.
첫 번째로는, 금 나노막대 층에서 발생하는 열을 통해 네트워크 사이에 하이드로겔을 국소적으로 제거했으며, 제거된 영역을 따라 신경돌기(축삭)가 생장해 새로운 신경 연결이 생성됨을 확인했다. 두 번째로는, 네트워크를 연결하고 있는 신경돌기에 직접 열을 가함으로써 원하는 신경 연결을 선택적으로 제거할 수 있음을 관찰했다. 이러한 신경 연결의 생성과 제거 기술을 미세 전극 칩 상에서 실행함으로써, 연구팀은 네트워크의 구조적 변화에 의한 기능적 연결성을 분석할 수 있었다. 세 번째로는, 광열 자극을 이용한 신경 활성 억제 현상을 이용해 개별 네트워크의 활성 변화를 조절하면서 서로 연결된 네트워크 간의 기능적 연결성을 대응시킬 수 있음을 확인했다

이번 연구의 교신저자인 남윤기 교수는 "이번 연구에서 개발된 신경 세포 칩 플랫폼은 신경회로의 구조와 기능을 세포 발달과정 중에 조절할 수 있다ˮ며, "앞으로 뇌신경과학 연구를 위한 다양하고 복잡한 형태의 체외 신경 모델을 구현하는 데 활용될 것으로 기대된다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업(도약연구)와 글로벌박사양성사업 지원을 받아 수행됐다.

전자신문 보도: www.etnews.com/20210106000065

Publication: Nature CommUNICATIONS

12/10/2020

Thermoplasmonic neural chip platform for in situ manipulation of neuronal connections in vitro

Nari Hong's work on thermoplasmonic neural chip patterning and modulation platform is published at Nature Communications. This is our 1st Nature Comm paper on thermoplasmonic neuromodulation technology.

Congratulations!

Read paper

Adapted from Hong & Nam, Nature Comm. (2020)
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Publication: ACS Nano

9/4/2020

Thermo-Plasmonic Optical Fiber for Localized Neural Stimulation

Dr. Hongki Kang's (now at DGIST) work on thermoplasmonic optical fiber design is published at ACS Nano. This is our 5th ACS Nano paper on photothermal neural inhibition technology using thermoplasmonics.

Congratulations!

Read paper