Feasibility of Optoelectronic Neural Stimulation Shown in Sciatic Nerve of Rats

A neural prostheses can be designed to permit stimulation of specific sites in the nervous system to restore their functions, lost due to disease or trauma. This study focuses on the feasibility of optoelecronic stimulation into nervous system. Optoelectronic stimulation supplies, power and signal into the implanted optical detector inside the body by optics. It can be effective strategy especially on the retinal prosthesis, because it enables the non-invasive connection between the external source and internal detector through natural optical window 'eye'. Therefore, we designed an effective neural stimulating setup by optically based stimulation. Stimulating on the sciatic nerve of a rat with proper depth probe through optical stimulation needs higher ratio of current spreading through the neural surface, because of high impedance of neural interface. To increase the insertion current spreading into the neuron, we used a parallel low resistance compared to load resistance organic interface and calculated the optimized outer parallel resistance for maximum insertion current with the assumption of limited current by photodiode. Optimized outer parallel resistance was at a range of 500Ω-700Ω and a current was at a level between 580uA and 650uA. Stimulating current efficiency from initial photodiode induced current was between 47.5 and 59.7%. Various amplitude and frequency of the optical stimulation on the sciatic nerve showed the reliable visual tremble, and the action potential was also recorded near the stimulating area. These result demonstrate that optoelectronic stimulation with no bias can be applied to the retinal prosthesis and other neuroprosthetic area.

흰쥐의 좌골 신경 자극을 통한 광전 자극의 가능성에 대한 연구

본 연구는 외부 전원 없이 광다이오드만을 이용하여 생성한 광전 자극을 통해 신경계를 효과적으로 자극하는 방법에 대한 것이다. 광을 통한 전류원 생성 및 전달은 생체 내에 집적된 광소자를 삽입하고 외부에서 광을 통해 신호와 전력을 전달을 한다. 이 기술은 특히 '눈' 이라는 광학적인 연결통로를 이용할 수 있는 인공망막과 같은 시스템에 매우 효과적이다. 그러나 광전 소자를 내부 전원 없이 구동시키는 경우, 광전류가 생체 저항에 직접적인 영향을 받게 되므로 자극에 충분한 전류를 생성할 수 없다. 무 전원 광다이오드를 통해 생성되는 광전류를 신경 자극에 적용하기 위해서는 생체 저항의 크기에 관계없이 활동 전위 생성에 충분한 전류 공급을 할 수 있는 안정된 전류원이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 병렬 저항을 도입하였다. 병렬 저항 추가 시 생체 저항을 포함한 전체 저항 값이 낮아지므로, 광원의 세기에 따라 최대의 광전류에 근접한 값을 얻을 수 있게 된다. 그러나 병렬 저항 값의 크기를 낮출수록 자극에 쓰이지 않는 전류량이 늘어나므로, 자극 전류량의 극대 값을 찾기 위해서는 병렬 저항 값의 최적화가 필요하다. 실험을 통해 측정된 실제 자극 전류량이 최대가 되는 병렬 저항 값의 범위는 500Ω∼700Ω 이고, 이때 전류량은 580uA∼860uA 이며 전류 효율은 47.5∼59.7%이었다. 자극의 크기와 빈1도를 변화시키면서 쥐의 좌골 신경을 자극하여 눈으로 확인 가능한 떨림 현상을 확인하였으며, 다채널 기록기를 이용해 활동 전위를 측정하였다. 이를 통해, 인공 망막에서의 광 자극 가능성을 확인할 수 있었다.