Carbon-fiber based microelectrode array for in vivo neural recording

Abstract

Microelectrode arrays are commonly used for electrophysiological recording from individual neurons to study neural pathways in the brain or to develop brain-machine interface (BMI). Recently, carbon fibers have been utilized to develop a depth-type microelectrode array for chronic neural recording. However, the long-term recording is still limited due to the tissue reaction around the implanted microelectrodes even though the chronic neural recording is becoming more essential for long-term applications. It is believed that the geometry of the electrode such as the size is the most critical component which can determine the degree of the chronic tissue damage and also long-term neural recording. Since the diameter of carbon fibers is smaller than the conventional electrodes made of metal wires or microfabricated silicon, the carbon fiber electrodes showed an improved capability for chronic neural recording with less tissue damages. In this study, we developed two different type of carbon fiber based microelectrode. First, we introduce the multi-channel microelectrode array whose channels are composed of multiple carbon fiber bundles and show the neural responses recorded in motor cortex of anesthetized rat. While each carbon fiber is too flexible to be inserted in the rat brain, the bundle of carbon fibers can sustain each other to insert the electrode into the brain. We compared neural signal recorded from carbon fiber electrode and from tungsten electrode over time. Carbon fiber electrode showed stable neural spike recording and higher SNR compared to tungsten electrode. However, the carbon fiber-based microelectrodes have a limitation of short insertion depth due to a low stiffness. Second, therefore, we proposed a carbon fiber-based microelectrode array embedded with a mechanical support structure to facilitate the penetration into the deeper brain. The support is made of biodegradable silk fibroin to reduce the reactive tissue responses. 4-channel carbon fiber-based microelectrode arrays were fabricated and accessed in terms of electrochemical impedance, recording capability for 1-month implantation in rat hippocampi. The electrodes with tungsten supports were fabricated and tested as a control group. Immunohistochemical analysis was performed to identify the reactive glial responses. The carbon fiber-based electrode arrays with silk supports showed about 2-fold impedance increase 2 weeks after implantation while the number of active electrodes decreased simultaneously. However, after 1 month, the electrode impedance decreased back to its initial value and the percentage of active electrodes also increased above 70 %. Immunohistochemical staining clearly showed that the electrodes with silk supports induced less reactive glial responses than that with tungsten supports. The proposed carbon fiber-based microelectrode array is expected to be used for long term in vivo neural recording from deep brain regions with the minimized reactive tissue response.;우리 뇌는 수많은 신경세포들이 신경망의 형태를 이루고 있으며 이 신경망을 통한 신호전달과 중추신경계의 기능은 직접적인 관계가 있다. 따라서, 개별 신경세포들이 나타내는 신호를 측정하는 것은 매우 중요하며, 이를 위해 다양한 종류의 신경신호 기록용 미세전극이 개발되고 있다. 기존의 대표적인 신경 전극으로는 금속 와이어 전극, 실리콘 전극 등이 있으나 장기간 조직에 이식할 경우 신경교세포가 활성화되어 전극을 감싸는 조직반응으로 인해 장기간 신경 신호를 측정하기에 어려움이 있다. 전극의 크기가 클수록 조직에 손상을 크게 야기하며 이러한 조직반응이 심각해진다고 알려져 있고 따라서 매우 작은 단면적을 갖는 전극을 제작할 경우 조직 반응을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 지름이 7 µm인 탄소섬유를 이용하여 제작한 탄소 섬유 신경 전극을 개발하였다. 이 같은 탄소 섬유의 지름이 매우 작기 때문에 신경교세포의 조직반응을 최소화라 수 있다는 장점이 있지만, 기계적 강성이 낮기 때문에 한가닥의 여러 채널 형태로 뇌삽입이 어렵다는 문제가 있다. 본 연구에서는 지름 7 µm의 가는 탄소섬유를 다발 형태로 이용한 신경전극 어레이를 디자인하여 기록하고자 하는 뇌 영역에서 보다 높은 확률로 개별 신경신호를 검출할 있도록 하였다. 4채널의 미세전극 어레이를 사용하여 마취된 실험동물의 운동피질 영역에서 자발적 활동 전위를 기록하였으며, 탄소섬유 기반의 전극과 텅스텐 전극을 함께 이식한 결과 개발한 탄소섬유 기반의 미세전극 어레이를 이용하여 한 달 넘게 안정적으로 신경신호를 기록할 수 있었던 반면 텅스텐 전극으로는 이식한지 한 달 후 신경신호를 기록할 수 없었다. 또한 텅스텐 전극과 함께 대뇌 운동 피질에서의 신경신호를 비교하여 탄소섬유를 사용한 전극이 텅스텐을 사용한 전극보다 더 장기간 좋은 신호 대 잡음 비를 보이는 것을 확인하였다. 이는 기존에 많이 사용되고 있는 금속선을 이용한 전극보다 탄소섬유 전극이 장기간 신경신호를 기록하기에 적합하다는 것을 보여주는 결과이다. 또한 본 연구에서는 기존의 탄소섬유 신경 전극이 탄소섬유의 기계적 강성이 낮기 때문에 피질보다 깊은 뇌 영역에 삽입하는데 한계가 있다는 점에 착안하여 심부 뇌에 삽입이 가능하도록 지지대 구조를 결합한 탄소섬유 전극을 제안하였다. 지지대는 조직 반응을 줄이기 위해 생분해성 실크섬유를 이용하였으며, 4채널 탄소섬유로 구성된 전극어레이를 제작하여, 쥐 해마 영역에 전극을 삽입하였다. 대조군으로 텅스텐 지지대 기반의 탄소섬유 전극 어레이를 이용하여 한달 간 전기화학적 전극 임피던스와 신경 신호를 비교, 분석하였다. 또한, 신경교세포의 활성도를 확인하기 위해 면역화학기법을 이용한 뇌절편의 형광영상분석을 수행하였다. 실크 지지대 기반 탄소섬유 전극은 삽입 후 임피던스가 약 2배 증가하였으며, 동시에 기록 가능한 전극의 수도 감소하였다. 그러나 한달 후 전극 임피던스는 초기 값으로 다시 감소하였고, 기록 가능한 전극의 비율이 70% 이상으로 증가하였다. 형광이미징을 통한 조직반응의 분석 결과, 명확하게 실크 기반의 전극이 대조군으로 사용된 텅스텐 기반 전극보다 신경교세포 반응이 적다는 것을 확인할 수 있었다. 임플란트 후 1주일이 지난 시점에서 각 지지대를 사용한 조직 반응을 보면 두 지지대 모두 전극이 있었던 구멍이 명확히 보였으며 전극주변 신경교세포 활동이 텅스텐 지지대에서 약간의 증가를 보였지만 한달 후 의 결과를 보면 생체분해성 실크지지대가 생체 내에서 녹아 없어지고 전극이 있던 구멍은 그 흔적만 남은 것으로 확인된다. 따라서 이런 한달 후 신경교세포 반응의 결과는 앞으로 한달 이후의 장기간 신경신호를 기록함에 있어서 생체분해성 실크를 지지대로 사용하는 것이 비생체분해성 지지대를 사용하는 것보다 안정적으로 오랜 기간 신경신호 기록이 가능할 수 있을 것임을 보여준다. 본 연구에서 제안한 탄소섬유 기반 미세전극어레이는 조직반응을 최소화함과 동시에 깊은 뇌에 삽입이 가능하므로, 장기적으로 생체 내 신경신호 기록을 위해 사용 될 수 있으며 더 나아가서는 신경보철용 신경전극으로도 사용가능 할 것으로 기대된다.