신경 활동을 기록하고 제어하는 것은 뇌가 신경망과 세포 수준에서 어떻게 기능하는지 이해하는 데 필수적입니다. 통상적인 전기생리학적 기록 방법은 마이크로피펫을 사용하는 패치 클램프 ^1,2,3,4 및 미세신경 전극⁽5,6,7,8)을 이용한 세포외 기록을 포함한다. 신경 조절 방법으로서, 전기 자극은 신경 세포의 직접 또는 간접적 탈분극을 통해 초점 뇌 영역을 직접 자극하기 위해 자주 사용되어 왔다. 그러나, 전기적 방법은 전류가 모든 방향으로 확산되기 때문에 기록 또는 자극을 위한 뉴런 세포 유형을 구별할 수 없다.

신흥 기술로서, 광유전학은 신경계가^어떻게 작동하는지 이해하는 새로운 시대를 열었습니다 9,10,11,12,13,14,15,16. 광유전학 기술의 본질은 빛을 사용하여 유전자 변형 세포에 의해 발현되는 빛에 민감한 옵신 단백질의 활성을 조절하는 것이다. 따라서, 광유전학은 복잡한 신경 회로(^14,17)에서 유전적으로 선택된 세포의 정교한 변조 또는 모니터링을 가능하게 한다. 광유전학적 접근법의 광범위한 사용은 광학 신경 조절을 직접 확인하기 위해 동시 신경 기록이 필요했다. 따라서 조명 제어 및 기록 기능을 갖춘 통합 장치는^{16,18,19,20,21,22,23,24,25} 매우 ^{유용합니다}.

기존의 레이저 기반 광유전학적 자극에는 한계가 있으며, 이는 부피가 크고 고가의 광 전달 시스템(26,27,28,29,30)을 필요로 한다. 따라서, 일부 연구 그룹은 광 전달 시스템(31,32,33,34)의 크기를 최소화하기 위해 μLED 기반 실리콘 프로브^를 사용했다. 그러나 LED의 낮은 에너지 변환 효율로 인해 μLED와의 직접 접촉으로 인한 열적 뇌 손상의 위험이 있습니다. 광섬유, SU-8 및 실리콘 산화 질화물 (SiON)과 같은 광 도파관은 열 손상 30,35,36,37,38,39를 피하기 위해 적용되었습니다. 그러나 이 전략은 광원과 도파관 간의 결합 효율이 낮기 때문에 단점도 있습니다.

마이크로렌즈 어레이는 LED와 광섬유(⁴⁰) 사이의 광 결합 효율을 향상시키기 위해 이전에 도입되었다. 옵트로드 시스템은 마이크로스케일(⁴⁰)에서 광학 자극 및 전기 기록을 위한 미세전자기계 시스템(MEMS) 기술에 기초하여 개발되었다. LED와 광섬유 사이의 마이크로렌즈 어레이는 광 효율을 3.13dB까지 높였습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 2×2 광섬유 어레이는 4×4 마이크로렌즈 어레이에 정렬되고 LED는 마이크로렌즈 어레이 아래에 위치합니다. 뇌 손상을 줄이기 위해 4×4 대신 2×2 광섬유가 장착됩니다. 텅스텐 전극 어레이는 전기 생리학적 기록을 위해 실리콘 비아홀을 사용하는 옵트로드 어레이에 인접하게 위치한다(그림 1B).

이 시스템은 상단 일회용 부품과 탈착식 하단 부품으로 구성됩니다. 광섬유 어레이, 마이크로 렌즈 어레이 및 텅스텐 전극 어레이를 포함하는 상단 일회용 부분은 생체 내 실험을 위해 뇌에 영구적으로 이식되도록 설계되었습니다. 하단 부분에는 LED 광원과 외부 전원 공급 장치 라인이 포함되어있어 쉽게 분리 할 수 있으며 다른 동물 실험에 재사용할 수 있습니다. 부착 가능한 플라스틱 커버는 탈착식 부품을 제거할 때 일회용 부품을 보호합니다.

시스템의 타당성은 Ca2+/calmodulin-의존성 단백질 키나제 II 양성 뉴런(CaMKIIα::ChR2 마우스)에서 채널로돕신-^2(ChR2)를 발현하는 트랜스제닉 마우스의 뇌에 이식함으로써 검증된다. 기록 전극은 뉴런의 광학 자극 동안 개별 뉴런으로부터의 신경 활동을 기록하기 위해 사용되었다.