호지킨-헉슬리(Hodgkin-Huxley) 모델을 활용한 광열신경자극의 자극 길이에 따른 신경 반응 이론적 고찰

김명규; 박성윤; 엄경식

doi:10.5573/ieie.2022.59.1.74

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자료유형: 학술저널

저자정보: 김명규 (부산대학교) 박성윤 (부산대학교) 엄경식 (부산대학교)

저널정보: 대한전자공학회 전자공학회논문지 전자공학회논문지 제59권 제1호(통권 제530호)

발행연도: 2022.1

수록면: 74 - 83 (10page)

DOI: 10.5573/ieie.2022.59.1.74

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빛의 비침습적이고 국소 영역으로 에너지를 집속 가능한 특성으로 인하여 최근 빛을 활용한 뇌신경조율기법이 각광을 받고 있다. 그 중 광열효과를 활용한 뇌신경조율기법은 신경세포에 순간적인 열을 발생시켜 신경의 활성을 제어하는 기법으로 빛만을 사용하는 적외선 신경자극기법(Infrared Neural Stimulation (INS))과 금나노입자를 활용한 근적외선 신경자극기법(Gold Nanoparticles-assisted Near-infrared Nerve Stimulation (AuNP-NINS))으로 구성된다. 최근 위 기법의 실험적, 이론적 검증연구가 많이 발표되고 있지만, 두 기법의 자극 원리에 대한 생물리학적 비교 분석에 대한 연구 및 빛 자극 길이의 영향에 대한 이론적 고찰이 부족한 실정이다. 본 연구는 호지킨-헉슬리(Hodgkin-Huxley) 모델을 활용하여 신경을 전기적으로 모델링하여 이론적으로 두 자극기법의 생물리학적 원리에 대하여 비교 분석한다. AuNP-NINS의 경우 빛 자극에 대한 온도의 순간 변화가 급격하여 신경 자극에 대한 진상 전류(capacitive current)의 영향이 INS의 경우보다 상대적으로 크다. 또한, AuNP-NINS의 경우 INS 보다 더 작은 온도에서 신경이 반응하는 것을 확인하였다. 신경자극에 대한 자극 길이의 영향을 분석한 결과, 자극 길이가 짧을수록 신경 자극에 필요한 빛 세기가 증가하지만 자극 역치 온도는 작아져 신경 손상을 억제할 수 있다는 장점을 확인하였다. 본 연구는 향후 임상 적용 시 안전하고 효과적인 광열신경자극을 위한 신경자극 조건 설정에 유용한 지표로 사용될 수 있다.

#Photothermal neural stimulation #Infrared neural stimulation #Gold nanoparticle #Hodgkin-Huxley model #Neural modeling

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