KR101523715B1

KR101523715B1 - Stimulation system for neuro-modulation using hybrid stimulation

Info

Publication number: KR101523715B1
Application number: KR1020140097164A
Authority: KR
Inventors: 서준교; 전상범; 장자윤; 문혁준; 박재홍
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2015-05-29

Abstract

The present invention provides a neuro-modulation system using a hybrid stimulus, comprising: an optical stimulation unit which applies an optical stimulus to neurons in which an optical gene for inducing the change in the potential of a cell membrane is expressed, to activate the optical gene; and an ultrasound stimulation unit which applies an ultrasound stimulus to the neuron, wherein the ultrasound stimulus increases the responsiveness of the neurons and induces the activity of the neurons in which the optical gene is expressed by the optical stimulus to regulate the tissues or organ containing the neurons.

Description

[0001] The present invention relates to a stimulation system for neuro-modulation using hybrid stimulation,

본 명세서에 기재된 내용은 생체 기능 조절 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대상이 되는 신경 세포에 광유전자를 전달하고 해당 신경세포를 초음파와 빛, 두 가지 자극을 결합한 하이브리드 자극을 통해 자극 함으로써 신경 반응을 유도하여 생체 활동을 조절할 수 있는 생체 신경 기능 조절 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a biological function regulating system, and more particularly, to a biological function regulating system that transmits a photonic gene to a target neuron and stimulates the neural cell through a hybrid stimulus combining ultrasound and light, To a living body function control system capable of controlling biological activity.

인구 고령화로 인해 노화 퇴행성 질병이 급격히 증가하고 있으며, 이로 인해 퇴행성 뇌신경 질환에 의한 장애와 청각, 시각 등의 감각 기관 퇴행에 따른 장애의 수도 따라 증가하고 있다. Due to the aging of the population, aging degenerative diseases are increasing rapidly, which is increasing due to the disability caused by degenerative brain disease and the number of disorders due to sensory regression such as hearing and vision.

대표적인 퇴행성 뇌신경 질환인 파킨슨씨병은 뇌 흑질(substantia nigra)의 세포들이 퇴행되면서 유발되며, 병의 진행에 따라 떨림, 경직 등의 장애증상을 동반한다. 평균 1천명 당 1명꼴로 발병하나 60세 이상에서는 유병률이 15배 정도 증가하는 높은 유병률을 보이고 있다. Parkinson's disease, a typical degenerative brain disease, is caused by the degeneration of cells of the substantia nigra and accompanied by disturbances such as tremors and stiffness as the disease progresses. The average prevalence rate is 1 in 1,000 people, but the prevalence rate is 15 times higher than 60 years old.

감각 기관 퇴행에 의한 대표적 장애로는 60세 이상에서 약 20%의 유병률을 나타내는 퇴행성 황반 변성증(AMD: Age-Related Macular Degeneration)을 들 수 있으며, 그 외에도 인구 4000명당 1명 정도의 유병률을 나타내는 망막색소변색증 (RP, Retinitis Pigmentosa)과 같은 질병이 망막 세포의 퇴행을 통해 시각 장애를 유발하는 것으로 알려져 있다.Representative disorders due to sensory degeneration include Age-Related Macular Degeneration (AMD), which is associated with a prevalence of about 20% in patients over 60 years of age. In addition, Diseases such as retinitis pigmentosa (RP) are known to cause visual impairment through degeneration of retinal cells.

현 시점에서 위에 언급한 퇴행성 신경 질환에 대한 수술이나 약물에 의한 치료법은 없으며 이를 대신하여 저하된 신경 기능을 복원하기 위해, 뇌심부자극기(DBS)나 망막보철(Retinal Implant)과 같이 전기 자극을 이용하여 손상된 생체 기능을 조절 하려는 시도가 이루어지고 있다. At this time, there is no surgery or drug treatment for degenerative neurological diseases mentioned above, and instead of this, electrical stimulation such as DBS or Retinal Implant is used to restore the deteriorated nerve function Lt; RTI ID = 0.0 > biofunctions. &Lt; / RTI >

그러나 전기자극을 이용한 신경 기능 복원 기술은 전극을 삽입하여 이루어지므로, 전극의 삽입과정에서의 조직 및 신경 손상이 일어나며, 전극의 생체 부적합성에 의한 염증 반응과 체외로부터의 감염 등으로 2차 손상을 초래하게 된다. 또한, 전해질로 이루어진 생체의 특성상 전기 자극을 원하는 부위에만 가하는 것이 어려우며 이로 인해 자극의 공간적 해상도가 제한되고 비특이적 자극에 의한 부작용을 유발할 수 있다. However, since the nerve function restoration technique using the electric stimulation is performed by inserting the electrode, tissue and nerve damage occur during the insertion of the electrode, and secondary damage is caused by inflammation due to the biocompatibility of the electrode and infection from the outside of the body . In addition, due to the nature of the living body made of electrolyte, it is difficult to apply electrical stimulation only to a desired site, which limits the spatial resolution of the stimulation and may cause side effects due to nonspecific stimulation.

최근 전기자극법의 대안으로서 빛에 반응하는 막 단백질을 신경 조직에 전달하고 이를 빛으로 자극함으로써 신경 기능을 조절할 수 있는 광유전학(Optogenetics) 기술이 제안되어 활발히 연구되고 있다. 광유전학 기술은 세포특이적 광유전자 전달을 이용하여 원하는 세포만을 자극할 수 있을 뿐 아니라, 광자극을 이용하여 시간적/공간적 해상도가 우수하다는 장점이 있어 전기자극을 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있지만, 광유전자를 활성화시키기 위해서 상대적으로 고 에너지의 광자극이 필요하며, 이로 인해 장기적인 기술의 적용이 생체 조직의 변성을 초래할 수 있다.Recently, optogenetics technology has been proposed and actively researched as an alternative to the electric stimulation method, in which a membrane protein responsive to light is transferred to nerve tissue and stimulated with light to control neural function. The photogenetics technology is expected to be able to replace electric stimulation because it has the advantages of not only stimulating desired cells using cell-specific optical gene transfer but also having excellent temporal / spatial resolution using optical stimulus , A relatively high-energy optical stimulus is required to activate the photoprotein, which may result in denaturation of the biotissue due to long-term application of the technology.

대한민국공개특허공보 제 2003-0003727호(2003.01.10)Korean Patent Publication No. 2003-0003727 (2003.01.10)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 생체 적합성이 매우 우수하고, 원하는 신경 세포를 선택적으로 자극하여 신경 세포의 손상을 최소화하고 생체 기능을 효과적으로 복원 및 조절할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems of the prior art and provides a system which is excellent in biocompatibility, .

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 광 자극에 의해 세포막전위의 변화를 유도하는 광유전자가 발현된 생체 조직 또는 기관 내의 신경 세포에 광 자극을 가하여 상기 광 유전자를 작동시키는 광 자극 장치와, 상기 신경 세포에 초음파 자극을 가하는 초음파 자극 장치를 포함하고, 상기 초음파 자극은 상기 신경 세포의 반응성을 증가시키고, 상기 광 자극에 의해 상기 광유전자가 발현된 상기 신경 세포의 활동을 유도하여 상기 생체 조직 또는 기관의 기능을 조절하는 생체 기능 조절 시스템에 제공된다. In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, there is provided a biosensor for inducing a change in cell membrane potential by a light stimulus, A stimulation device and an ultrasonic stimulation device for applying ultrasonic stimulation to the nerve cell, wherein the ultrasonic stimulation increases the reactivity of the nerve cell, and induces the activity of the nerve cell in which the light gene is expressed by the light stimulus Thereby controlling the function of the living body tissue or the organ.

일 실시예에 따르면, 상기 초음파 자극은 상기 신경 세포의 활동 전위를 일으키지 않는 강도로 가해진다. According to one embodiment, the ultrasonic stimulation is applied at an intensity that does not cause an action potential of the nerve cell.

일 실시예에 따르면, 상기 초음파 자극 장치는, 생체 외부에 배치되어 상기 생체에 직접적인 보철의 삽입 없이 상기 신경 세포에 초음파 자극을 가한다. According to one embodiment, the ultrasonic stimulation apparatus is disposed outside the living body, and applies ultrasonic stimulation to the nerve cell without inserting the prosthesis directly into the living body.

일 실시예에 따르면, 상기 광유전자는 광수용체가 손상된 망막의 시각 신경 세포에서 발현되고, 상기 광 자극 장치가 가하는 광자극은 상기 시각 신경 세포에 발현된 광유전자에 의해 수용 인식되어 시신경에 시감각을 전달한다. According to one embodiment, the light gene is expressed in the optic nerve cell of the retina damaged by the photoreceptor, and the light stimulus applied by the light-stimulating device is recognized by the photoreceptor gene expressed in the optic nerve cell, .

일 실시예에 따르면, 상기 광 자극 장치는 사용자에게 인식시키고자 하는 이미지에 따라 선택적으로 빛을 패턴화하여 상기 광유전자가 주입된 시각 신경 세포를 광 자극한다. According to an embodiment, the optical stimulating apparatus selectively patterns light according to an image to be recognized by a user, and optically stimulates the optic nerve cell implanted with the optical gene.

일 실시예에 따르면, 사물을 인식하고, 인식된 사물의 이미지를 신호로 변조하여 상기 광 자극 장치에 전달하는 이미지 변조기를 더 포함한다. According to one embodiment, there is further provided an image modulator for recognizing an object, modulating an image of the recognized object into a signal, and transmitting the signal to the optical stimulating apparatus.

일 실시예에 따르면, 상기 초음파 자극 장치는, 사용자가 동공에 착용할 수 있는 콘텍트 렌즈형 초음파 진동자 또는 사용자의 눈에 부착될 수 있는 박막형 초음파 진동자를 포함한다. According to one embodiment, the ultrasonic stimulation apparatus includes a contact-type ultrasonic vibrator that a user can wear on a pupil, or a thin-film ultrasonic vibrator that can be attached to a user's eye.

일 실시예에 따르면, 생체 기능 조절 시스템은 사용자가 착용할 수 있는 안경형 몸체 및 상기 초음파 자극 장치 및 상기 광 자극 장치를 제어하기 위한 제어기를 포함하고, 상기 광 자극 장치는 렌즈 형태로 형성되어 상기 안경형 몸체에 결합된다. According to one embodiment, the biological function control system includes a spectacular body that can be worn by a user, a controller for controlling the ultrasonic stimulating apparatus and the optical stimulating apparatus, and the optical stimulating apparatus is formed in a lens shape, Lt; / RTI >

일 실시예에 따르면, 상기 광유전자는 수축 및 이완을 통해 기능을 수행하는 수축/이완성 조직에서 발현되고, 상기 광 자극 장치가 가하는 광자극은 상기 수축/이완성 조직의 근육 및 평활근 세포의 활동을 유도하여 상기 수축/이완성 조직의 수축 및 이완을 조절한다. According to one embodiment, the light gene is expressed in contraction / relaxation tissue functioning through contraction and relaxation, and the light stimulus applied by the light stimulating apparatus induces the activity of muscles and smooth muscle cells of the contraction / To regulate contraction and relaxation of the contractile / relaxed tissue.

일 실시예에 따르면, 상기 수축/이완성 조직은, 심혈관, 방광 또는 근육/평활근을 이루는 조직이다. According to one embodiment, the contraction / relaxation tissue is a tissue comprising cardiovascular, bladder or muscle / smooth muscle.

일 실시예에 따르면, 상기 광유전자는 채널로돕신-2(Channelrhodopsin-2) 및 할로로돕신(Halorhodopsin) 중 하나 이상을 포함한다. According to one embodiment, the light gene comprises at least one of channelrhodopsin-2 and halorhodopsin.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체에 적합한 수준의 자극으로 원하는 신경 세포만 활동전위(action potential)가 발생하도록 선택적으로 자극이 가능하게 되어 정밀하고 안전한 생체 기능 복원 기술 구현할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to selectively stimulate an action potential to be generated only by a desired nerve cell with a stimulus at a level suitable for a living body, thus realizing a precise and safe biofunction restoration technique.

도 1은 광수용체(Photoreceptor) 층, 이극세포(Bipolar cell) 층 및 망막절세포(RGC) 층이 적층된 층상구조의 정상적인 망막조직(왼쪽) 및 광수용체층의 광수용체가 소멸되어 시각장애를 갖고 있는 망막조직(오른쪽)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템의 기능 조절 및 복원 원리를 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 자극에 따른 신경 세포의 막 전위 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템을 이용해 심혈관의 수축 및 이완을 조절하는 모습을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템을 이용해 방광의 수축 및 이완을 조절하는 모습을 도시한 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시각 감각 조절용 생체 기능 조절 시스템을 개념적으로 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실험예에 따른 실험결과로서, 왼쪽부터 BALB/c 타입 마우스의 야생형인 대조군(도 9a), 망막의 광수용체부분이 퇴화되어있는 FVB 타입 마우스(비교군, 도 9b) 및 광유전자(ChR2)를 도입한 마우스(실험군, 도 9c)의 망막조직의 광반응성을 분석한 결과를 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic view showing the normal retinal tissue (left) and the photoreceptor layer of the layered structure in which the photoreceptor layer, the bipolar cell layer and the retinal nodule cell (RGC) layer are laminated, (Right) of the retina.
FIG. 2 is a diagram for conceptually explaining the principle of function regulation and restoration of a biological function control system according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing changes in membrane potential of nerve cells in response to stimulation.
FIG. 4 is a view illustrating a method of controlling cardiovascular contraction and relaxation using a biological function control system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a state in which contraction and relaxation of the bladder are controlled using a biological function control system according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 6 to 8 conceptually show a biological function control system for controlling the visual sensation according to an embodiment of the present invention.
9A to 9C are graphs showing the results of experiments according to the experimental example of the present invention, showing that wild type control (FIG. 9A) of a BALB / c type mouse from the left, FVB type mouse 9b) and a mouse transfected with a light gene (ChR2) (experimental group, FIG. 9c).

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that the technical idea of the present invention and its essential structure and action are not limited by this embodiment.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템의 생체 기능 복원 원리를 개념적으로 도시한 것이다. FIG. 2 conceptually illustrates the principle of biofunctional restoration of a biofunctional control system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템은 생체에 초음파 자극을 가하여 자극 부위에 위치한 모든 신경 세포를 쉽게 활동 전위(action potential)을 일으킬 수 있는 상태로 전환시키고, 부작용을 최소화 할 수 있는 세기의 패턴 광자극을 이용하여 광유전자가 전달된 목표 신경 세포만을 선택적으로 자극하여 활동 전위를 유도한다. Referring to FIG. 2, the biological function control system according to the present embodiment is configured to apply ultrasound stimulation to a living body to convert all neurons located at a stimulation site into a state capable of easily generating an action potential, Using the patterned light stimuli of a certain intensity, only the target neuron that has transferred the light gene is selectively stimulated to induce the action potential.

도 3을 참조하면, 초음파 자극은 신경 세포의 반응성을 증가시켜주는 것으로, 약한 초음파 자극을 신경 세포의 역치 값을 넘지 않는 수준으로 가하여 신경 세포의 휴지 전위(resting potential)을 전체적으로 높여 줌으로써, 활동 전위를 유발 할 수 있는 외부 자극의 임계값을 낮춘다.3, the ultrasonic stimulation increases the reactivity of the nerve cells. By applying the weak ultrasonic stimulation to a level not exceeding the threshold value of the nerve cells, the resting potential of the nerve cell is increased as a whole, The threshold value of the external stimulus that can induce the stimulation.

이때, 초음파 자극에 의해 비특이적 신경 자극이 일어나지 않도록, 초음파 자극의 강도는 신경 세포의 활동 전위를 일으키지 않는 강도로 가해진다. At this time, the intensity of the ultrasonic stimulus is applied to the intensity not causing the action potential of the nerve cell so that the nonspecific nerve stimulation does not occur by the ultrasonic stimulation.

본 실시예에 따르면, 신경 세포의 반응성이 향상된 상태에서, 원하는 목표 신경 세포에 선택적으로 광자극을 가하여 신경 세포의 활동을 유도함으로써 생체 조직 또는 기관의 기능을 조절 및 복원한다. According to this embodiment, in a state where the reactivity of the nerve cell is improved, the function of the biological tissue or organ is regulated and restored by inducing the activity of the nerve cell by selectively applying a light stimulus to the desired target neuron.

신경 세포의 선택적 자극과 2차 손상을 방지하기 위하여, 본 실시예에 따르면 기존의 광유전자를 자극하는 강도보다 낮으며 생체 부작용을 최소화 할 수 있는 강도의 광 자극을 가하여 신경 세포를 자극한다. In order to prevent the selective stimulation and the secondary damage of the nerve cell, according to the present embodiment, the nerve cell is stimulated by applying a light stimulus having a strength lower than the intensity that stimulates the existing optical gene and capable of minimizing the side effect.

이를 위해 먼저, 기능을 복원할 생체 조직 또는 기관 내의 신경 세포에는 광 자극에 의해 세포막 전위의 변화를 유도하는 광 유전자가 도입되어 발현된다. To this end, a light gene that induces a change in cell membrane potential is introduced and expressed in a nerve cell in a living tissue or an organ to be restored to function by a light stimulus.

본 실시예에 따르면, 상기 광 유전자는 채널로돕신-2(Channelrhodopsin-2, ChR2) 및/또는 할로로돕신(Halorhodopsin, NpHR)이다. According to this embodiment, the light gene is channelrhodopsin-2 (ChR2) and / or halorhodopsin (NpHR).

채널로돕신-2은 녹조류(Chlamydomonas reinhardtii)에서 추출된 양이온(Na⁺, K⁺, Ca² ⁺) 채널의 막단백질로서, 푸른빛의 광자극(473 nm)에 의해서 활성화된다. 구체적으로, 푸른빛이 채널로돕신-2 이온 채널에 감지되면 세포내 활성화가 되면서 이온 채널이 열리고 Na⁺, Ca² ⁺가 세포안으로 들어와 세포막을 탈분극화(Depolarization)시켜, 신경세포의 활동전위를 증가시킨다. The channel rhodopsin-2 is a green alga ( Chlamydomonas (Na ⁺ , K ⁺ , Ca ² ⁺ ) channel, which is extracted from the reinhardtii . It is activated by blue light (473 nm). Specifically, when the blue light is detected in the channel rhodopsin-2 ion channel, the ion channel is opened and the Na ⁺ and Ca ² ⁺ are introduced into the cell, depolarizing the cell membrane to increase the action potential of the neuron .

상기 할로로돕신은 나트로노모나스 파라오니스(Natronomonas pharaonis)에서 추출된 염소이온 (Cl^-) 펌프 막단백질로, 노란빛(593nm)에서 활성화된다. 구체적으로, 노란빛이 조사되면 할로로돕신이 반응하여 염소이온(Cl^-)을 세포안으로 들어오는 염소이온 수송체를 작동시키고, 이는 세포 내부의 과분극화(Hyperpolarization)를 유발하여 신경세포의 활동전위를 억제시킨다. The halorodipine is a salt of Natronomonas It is a chlorine ion (Cl ^- ) pump membrane protein extracted from Natronomonas pharaonis , which is activated in yellow light (593 nm). Specifically, when yellow light is irradiated, halodipodine reacts to activate a chlorine ion transporter that enters the cell with chlorine ion (Cl < ^- >), which causes hyperpolarization inside the cell to inhibit the action potential of the neuron .

채널로돕신-2와 할로로돕신와 같은 광 유전자는 원하는 신경 세포의 세포막에 발현시키기 위하여 선택적으로 주입될 수 있으며, 다양한 주입 방법이 공지되어 있다. The light gene such as channel rhodopsin-2 and halodipcine can be selectively injected to express in the cell membrane of a desired neuron, and various injection methods are known.

광유전자 중 채널로돕신-2는 광자극이 가해지면 신경 세포의 활동전위를 증가시키고, 할로로돕신은 광자극이 가해지면 신경세포의 활동전위를 억제하는 유전자로 프로모터를 이용하여 세포특이적 발현하는 것이 가능하므로, 상기 광유전자를 세포특이적으로 발현시킴으로써 목표 신경 세포를 선택적, 독립적으로 자극할 수 있다. In the light gene, channel rhodopsin-2 increases the action potential of neurons when the light stimulus is applied. Halo-doping is a gene that suppresses the action potential of neurons when the light stimulus is applied. It is a cell-specific expression using a promoter Therefore, the target neuron can be selectively and independently stimulated by expressing the light gene in a cell specific manner.

본 실시예에 따르면, 광 유전자를 생체의 조직 또는 기관에 발현시켜, 광 유전자가 발현된 신경 세포의 활동을 초음파 자극과 광 자극 시스템을 통해 유도함으로써 망막 기능, 손상된 뇌 조직, 방광, 심혈관, 심장 등 다양한 손상된 생체 조직 또는 기관의 기능을 조절 및 복원할 수 있다. According to this embodiment, the light gene is expressed in the tissue or organ of the living body, and the activity of the neuron expressing the light gene is induced through the ultrasound stimulation and the light stimulation system to thereby produce retinal function, damaged brain tissue, bladder, And can regulate and restore the functions of various damaged biological tissues or organs.

도 4는 본 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템을 이용해 수축/이완성 조직으로 이루어진 심혈관(vessel)의 기능을 조절하는 모습을 도시한 것이다. FIG. 4 shows a state in which the function of a cardiovascular vessel made of a contraction / relaxation tissue is controlled using the biological function control system according to the present embodiment.

심혈관에는 채널로돕신-2와 할로로돕신의 두 광유전자가 모두 발현된다.Both cardiac rhodopsin-2 and halodorcine genes are expressed in cardiovascular system.

초음파 자극을 통해 심혈관의 신경 세포의 휴지 전위를 높여 주어 활동 전위를 유발할 수 있는 외부 자극의 임계값을 낮춘 뒤, 광 자극을 가한다. Ultrasonic stimulation is used to increase the resting potential of cardiovascular nerve cells to lower the threshold value of external stimulation that can induce action potential, and then to apply a light stimulus.

청색광을 가하면 채널로돕신-2이 활성화되어 심혈관의 수축이 일어나고, 황색광을 가하면 할로로돕신이 활성화되어 심혈관의 이완이 일어난다.When blue light is applied, channel rhodopsin-2 is activated to cause cardiovascular contraction, and when yellow light is applied, halo-dopase activates and relaxes the cardiovascular system.

청색광과 황색광을 반복적으로 조사하면 심혈관이 수축과 이완을 반복하여 혈류를 원활하게 유동시킬 수 있다. When the blue light and the yellow light are repeatedly irradiated, the cardiovascular blood vessel can smoothly flow by repeating the contraction and relaxation.

도 5는 본 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템을 이용해 방광을 조절하는 모습을 도시한 것이다 FIG. 5 shows a state in which the bladder is adjusted using the biological function control system according to the present embodiment

방광은 오줌을 담는 방광배뇨근과, 소변이 빠져나가지 못하도록 방광목을 조이는 방광목조임금을 포함한다. 방관배뇨근과 방광목조임근은 모두 수축/이완성 조직으로 이루어진다. The bladder includes urinary bladder detrusor and bladder wooden wedge that tightens the bladder neck to prevent urine from escaping. Obstructive detrusor muscle and bladder wooden contractions consist of contraction / relaxation tissue.

본 실시예에 따르면, 방광배뇨근과 방광목조임근에는 채널로돕신-2과 할로로돕신의 두 광유전자가 모두 발현된다. According to the present example, both light genes of channelrodoxine-2 and halodipcine are expressed in the bladder detrusor muscle and the bladder neck muscle.

초음파 자극을 통해 방관의 신경 세포의 휴지 전위를 높여 주어 활동 전위를 유발할 수 있는 외부 자극의 임계값을 낮춘 뒤, 광 자극을 가한다. Ultrasonic stimulation increases the resting potential of neurons in the vagus nerve and lowers the threshold value of external stimulus that can induce action potential, and then it stimulates the light.

광자극을 청색광 자극 및 황색광 자극이 부위별로 동시에 이루어진다. The light stimulus is made simultaneously with the blue light stimulus and the yellow light stimulus.

도 5를 참조하면, 소변 배출을 위해 방광배뇨근에는 청색광이 가해지고, 방광목조임근에는 황색광이 가해진다. Referring to FIG. 5, blue light is applied to the bladder detrusor for the urine discharge, and yellow light is applied to the bladder wooden cavity.

이에 따라 방광배뇨근은 수축하고 방광목조임근은 이완되어 방광에서 소변이 배출된다. The bladder detrusor contracts and the bladder wooden limb relaxes and the urine is discharged from the bladder.

반대로, 소변이 배출되는 것을 막기 위해, 방광배뇨근에는 청색광이 가해지고, 방광목조임근에는 황색광이 가해진다. 이에 따라 방광배뇨근은 이완하고 방광목조임근은 수축되어 소변이 방광을 빠져나가지 못하고 저장된다. Conversely, blue light is applied to the bladder detrusor and yellow light is applied to the bladder neck to prevent urine from being discharged. Thus, the bladder detrusor relaxes and the bladder wooden contractions contract and the urine does not escape from the bladder and is stored.

본 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템은 수축 및 이완을 통해 기능을 수행하는 다양한 수축/이완성 조직에 적용되어, 광 자극 장치가 가하는 광자극은 수축/이완성 조직의 근육 및 평활근 세포의 활동을 유도하여 상기 수축/이완성 조직의 수축 및 이완을 조절하게 된다. 예를 들어, 손상된 뇌 조직의 뇌심부 자극 장치(DBS), 방광의 기능을 조절하는 배뇨 조절 장치, 심혈관의 수축과 이완을 조절하는 장치, 심장 박동을 조절해주는 페이스 메이커(pace maker) 등에 적용 가능하다. The biological function control system according to this embodiment is applied to various contraction / relaxation tissues functioning through contraction and relaxation, so that the light stimulus applied by the light stimulating apparatus induces the activity of muscles and smooth muscle cells of the contraction / Thereby regulating contraction and relaxation of the contraction / relaxation tissue. For example, it can be applied to the deep brain stimulation device (DBS) of damaged brain tissue, the urinary control device for controlling the function of the bladder, the device for controlling the contraction and relaxation of the cardiovascular device, and the pace maker for controlling the heartbeat Do.

한편, 본 실시예에 따른 생체 조절 조절 시스템은 광 자극을 이용해 신경 세포를 활성화시키므로, 광 자극에 의해 반응하는 기관인 눈의 기능을 비침습적으로 복원하기 위한 시스템으로도 효과적으로 이용될 수 있다. Meanwhile, since the biological regulation control system according to the present embodiment activates nerve cells using a light stimulus, the system can be effectively used as a system for non-invasively restoring the function of the eye, which is an organ responding to the light stimulus.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시각 기능 복원을 위한 생체 기능 조절 시스템(1)의 개념도를 도시한 것이다. 6 to 8 show a conceptual diagram of a biological function control system 1 for visual function restoration according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템(1)은, 사용자가 착용할 수 있는 안경 형태의 몸체(10)와, 눈에 포함된 신경 세포의 반응성을 향상시키기 위한 초음파 자극 장치(30) 및 신경 세포에 광 자극을 가하기 위한 광자극 장치(20)를 포함한다. Referring to FIG. 6, the biological function control system 1 according to the present embodiment includes a body 10 in the form of a spectacle that can be worn by a user, an ultrasound stimulation device 10 for improving the reactivity of nerve cells contained in the eye, (30) and a light stimulating apparatus (20) for applying a light stimulus to a nerve cell.

또한, 본 실시예에 따른 생체 기능 조절 시스템(1)은 채널로돕신-2(Channelrhodopsin-2) 및 할로로돕신(Halorhodopsin) 중 하나 이상의 광유전자가 발현된, 광수용체가 소멸된 안구 내의 망막 신경 세포를 대상으로 한다. In addition, the biological function control system 1 according to the present embodiment can be applied to a retinal nerve cell in which optoreceptors are exterminated, in which at least one of channelrhodopsin-2 and halorhodopsin is expressed. .

상기 시각 신경 세포는 광반응성을 상실한 퇴행 망막에 잔존하는 시각 신경 세포이며, 구체적으로 망막 신경절 세포(Retinal ganglion cell, RGC) 또는 이극 세포(biopolar cell)를 포함할 수 있다(도 1 참조). The optic nerve cell is an optic nerve cell remaining in the degenerative retina which has lost photoreactivity, and may specifically include a retinal ganglion cell (RGC) or a biopolar cell (see FIG. 1).

도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 광감응성 자극이라는 시각 기능 복원이라는 특이성을 고려하여, 전기 자극 등에 따른 섬광 현상을 방지하고 전극을 삽입하는 2차적 시술을 제거할 수 있도록 하기 위해, 초음파 자극 장치(30)는 사용자가 동공에 직접 착용할 수 있는 콘텍트 렌즈형 초음파 진동자(도 7(a) 참조)를 포함하거나, 시술적으로 사용자의 눈에 부착될 수 있는 박막형 초음파 진동자(도 7(b) 참조)를 포함할 수 있다. 7 (a) and 7 (b), according to the present embodiment, in consideration of the specificity of restoring the visual function of a photoreceptive stimulus, The ultrasonic stimulating apparatus 30 may include a contact lens type ultrasonic vibrator (see Fig. 7 (a)) that the user can wear directly on the pupil, (Refer to Fig. 7 (b)) that can be attached to the ultrasound transducer.

한편, 광 자극 장치(20)는 안경형 몸체(10)의 렌즈 부분에 결합될 수 있는 렌즈 형태로 형성된다. On the other hand, the light stimulating apparatus 20 is formed in the form of a lens that can be coupled to the lens portion of the spectacled body 10.

도 8은 본 실시예에 따른 시각 복원용 생체 기능 조절 시스템(1)의 작동 모습을 도시한 것이다. FIG. 8 shows an operation of the time-restoring biometric function control system 1 according to the present embodiment.

콘텍트 렌즈형 초음파 진동자를 포함하는 초음파 자극 장치(30)가 적용되었다. 초음파 자극 장치(30)와 광 자극 장치(20)는 안경형 몸체(10)에 구비된 제어기(미도시)와 전기적으로 연결되어 제어된다. An ultrasonic stimulating apparatus 30 including a contact lens type ultrasonic vibrator has been applied. The ultrasonic stimulating apparatus 30 and the light stimulating apparatus 20 are electrically connected to a controller (not shown) provided in the spectacle body 10 to be controlled.

본 실시예에 따르면, 초음파 자극 장치(30)와 광 자극 장치(20)가 비침습적으로 착용될 수 있어, 전극 삽입 등으로 인한 2차적 손상을 방지할 수 있다. According to the present embodiment, the ultrasonic stimulating apparatus 30 and the light stimulating apparatus 20 can be non-invasively worn, and secondary damage due to electrode insertion or the like can be prevented.

본 실시예에서는 초음파 자극 장치(30)가 사용자의 눈에 직접 착용 또는 부착되는 형태이지만, 생체 투과율이 우수한 초음파 진동자를 이용하는 경우 초음파 자극 장치(30)는 안경형 몸체(10)에 고정되어 사용자의 신체 밖에 고정될 수도 있을 것이다. In this embodiment, the ultrasonic stimulating apparatus 30 is worn or attached directly to the user's eyes. However, in the case of using the ultrasonic vibrator having a superior bio-transmissivity, the ultrasonic stimulating apparatus 30 is fixed to the spectacle body 10, It may be fixed outside.

초음파 자극 장치(30)는 신체에 열을 가하거나 조직을 괴사시키는 일 없이 의학적 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있는 저강도 초음파(low intensity ultrasound)가 이용된다. Ultrasonic stimulation device 30 employs low intensity ultrasound, which is known to have a medical effect without heating the body or necrotising tissue.

저강도 초음파에 대한 기준은 아직 명확하게 정해진 것은 없으나, 본 실시예에 따른 "저강도 초음파"는 미국 FDA 기준 및 유럽안전기준을 따라 3 W/㎠ 의 시간 평균 최고 첨두 음향강도(Ispta) 미만의 음향강도를 가지는 초음파로써 신체에 손상을 입히지 않는 범위에 있을 수 있다. 초음파의 강도는 이에 한정되지 않으며, 시각 신경 세포의 활동 전위를 일으키지 않는 강도의 초음파라면 본 실시예에 따른 자극용 초음파로 이용될 수 있음이 이해될 것이다. Although the criteria for low intensity ultrasound have not yet been clearly defined, the "low intensity ultrasound" according to the present embodiment has a peak intensity of less than 3 hours per hour peak peak intensity (Ispta) It may be in a range that does not damage the body by ultrasonic waves having an acoustic intensity. It is to be understood that the intensity of the ultrasonic wave is not limited thereto and that ultrasonic waves having intensity not causing the action potential of the visual nerve cell can be used as the ultrasonic wave for stimulation according to this embodiment.

본 실시예에 따른 광자극 장치(20)는 광 유전자가 발현된 신경 세포에 광 자극을 가한다. The light stimulating apparatus 20 according to the present embodiment applies a light stimulus to a neuron expressing a light gene.

광 자극에 의한 시각 신경 기능 복원능을 확인하기 위하여 실험을 실시하였다.Experiments were conducted to confirm the ability of visual stimulation by optical stimulation.

실험에서는 망막이 손상된 퇴행 망막 질환 모델로 FVB 타입의 12주령 암컷 마우스에 광유전자를 발현시킨 개체를 실험군으로 하였고, BALB/c 타입 12주령 암컷 마우스의 야생형(wild type)을 대조군, 광유전자를 발현시키지 않은 FVB 타입의 12주령 암컷 마우스를 비교군으로 하였다. In the experiment, a retinal disease model of retinal degeneration was used. A wild type of BALB / c type 12-week-old female mouse was used as a control group, and a light gene was expressed in a 12-week old female mouse expressing a light gene in a FVB- 12 weeks old female mice of the FVB type which had not been treated were compared.

상기 실험군으로서 FVB 타입 12주령 암컷 마우스에 광유전자의 발현은 하기의 방법에 따라 수행하였으며, 상기 광유전자로는 473nm의 빛에 반응하여 신경신호를 유발하는 채널로돕신-2(ChR2)를 도입하였다. 이때, ChR2를 코딩하는 유전자를 망막조직에 도입하여 ChR2를 발현시키기 위한 벡터는 하기의 방법에 따라 제조하였다. 발현벡터는 pAAV-MCS 벡터(adeno-associated virus multicloning site vector)(Stratagene, 서열 번호 1)를 기반으로 하여 상기 pAAV-MCS 벡터에서 CMV 프로모터 부위를 제거한 다음 mGluR6 프로모터(서열번호 2)를 도입하고, 여기에 채널로돕신-2를 코딩하는 유전자로 Chr2-YFP 서열(서열번호 3), Cre recombinase 서열(서열번호 4), 2A 서열(서열번호 5)을 당해 분야의 통상적인 방법에 따라 위치지정 돌연변이 방법을 통하여 순차적으로 삽입하여 ChR2를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터(서열번호 6)를 제조하였다. 상기 YFP는 황색 형광 단백질을 의미한다. As a test group, the expression of the light gene in FVB type 12-week-old female mice was carried out according to the following method. As the light gene, channel rhodopsin-2 (ChR2) was introduced in response to light of 473 nm to induce a neural signal. At this time, a vector for expressing ChR2 by introducing a gene encoding ChR2 into retinal tissue was prepared according to the following method. The expression vector was constructed by removing the CMV promoter region from the pAAV-MCS vector based on the pAAV-MCS vector (Stratagene, SEQ ID NO: 1), introducing the mGluR6 promoter (SEQ ID NO: 2) Here, the Chr2-YFP sequence (SEQ ID NO: 3), Cre recombinase sequence (SEQ ID NO: 4) and 2A sequence (SEQ ID NO: 5) are used as a gene coding for channelrodoksin-2 according to a conventional method in the art To prepare a vector (SEQ ID NO: 6) containing a gene encoding ChR2. The YFP refers to a yellow fluorescent protein.

그 다음, 상기 ChR2를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터를 망막조직에 전달하기 위하여 상기 마우스를 졸레틸(Zoletil) 및 럼푼(Rompun)의 혼합액(3:1)으로 마취한 후, 33 게이지(gauge) 해밀턴 시린지를 이용하여 초자체내주사(intravitreous injection)하여, 광유전자(ChR2)를 망막조직에 도입한 후 발현시켰다. 이때 주사 성공여부를 확인하기 위한 지표(indicator)로는 FG(Fast green dye)를 바이러스와 1: 10의 비율로 섞어 사용하였다. Then, the mouse was anesthetized with a mixed solution of Zolethyl and Rompun (3: 1) in order to deliver a vector containing the gene coding for ChR2 to the retina tissue, and then a 33 gauge- Intravitreous injection was performed using Hamilton syringe, and the photoreceptor gene (ChR2) was introduced into retinal tissues and expressed. Fast green dye (FG) was mixed with virus at a ratio of 1:10 as an indicator for success of the injection.

상기 도입 후 10일 경과 후 상기 실험군의 망막 조직에서의 광반응성을 측정하기 위하여, 망막 조직을 쥐에서 분리하였다. 쥐는 경추탈골법을 이용하여 처리한 후 안구를 적출하였으며, 조직의 유지를 위하여 상소 95%, 이산화탄소 5%의 가스를 에어레이션(aeration)하는 아메스 미디움(Ames medium) 내에서 망박조직을 분리하고 보관하였다. 분리한 망막조직은 256 채널(Multichannel systems)에 메쉬에 앵커를 사용하여 밀착 고정시켜 측정하였으며, 용액 순환장치를 이용하여 에어레이션하는 상기 아메스 미디움을 지속적으로 공급하였다. Ten days after the introduction, retinal tissues were separated from the rats in order to measure photoreactivity in the retinal tissues of the experimental group. The rats were treated with cervical dislocation and the eyeballs were harvested. To maintain the tissues, the skin tissue was isolated and stored in Ames medium, which aeration of 95% of the sample and 5% of the carbon dioxide was performed. Respectively. The separated retinal tissues were measured in 256 channels (Multichannel systems) by using an anchor to fix them to the mesh, and the above-mentioned ameasum medium was continuously supplied using a solution circulating apparatus.

상기 퇴행 망막 질환 모델에 도입된 광유전자를 자극하기 위해 473nm 파장의 블루레이저를 사용하여 13 mW/mm²세기의 광자극을 가하였으며, 자극 제어기(MC stimulus)를 사용하여 광자극을 제어하고 자극시점을 MEA와 동기화 하였다. 광자극은 2초간 자극 3초간 비자극의 패턴을 한 주기로 하여 20회 이상 반복하며 광반응성을 분석하였다.In order to stimulate the photoreceptor gene introduced into the degenerative retinal disease model, a light stimulus of 13 mW / mm ² intensity was applied using a blue laser having a wavelength of 473 nm. The stimulation controller (MC stimulus) The time was synchronized with the MEA. The photoreactivity was analyzed by repeating the pattern of the non - magnetic pole for 2 seconds and the non - magnetic pole for 3 seconds.

상기 멀티채널 시스템을 사용하여 분석된 망막 신경신호 정보는 신호의 표준편차의 3.5를 기준으로 역치를 넘는 파형을 스파이크로 검출하여 스파이크 타임 스탬프(spike time stamp)를 얻었다. 광자극에 의한 스파이크 패턴을 분석하기 위하여 상기 멀티채널시스템에서 자체 제공하는 MC 랙(MC rack)을 이용하여 래스터 플랏(Raster plot)을 그리고, 자체 제작한 매트랩(MATLAB) 프로그램을 이용하여 광자극에 대한 PSTH(Peristimulus time histogram)을 얻었다.The retinal nerve signal information analyzed using the multichannel system was detected as a spike over a threshold value based on 3.5 standard deviation of the signal to obtain a spike time stamp. In order to analyze the spike pattern by the optical stimulus, a raster plot is made using an MC rack (MC rack) provided in the multi-channel system, and a self-made MATLAB program is used The PSTH (Peristimulus time histogram) was obtained.

그 결과, 도 9a 내지 도 9c에 나타난 바와 같이 대조군(wild type)인 BALB/c 타입의 쥐의경우, 망막 전체 회로가 완벽하게 살아있으므로 광자극을 가하면 다수의 광자극 유래 신경신호가 발생하는 것을 확인할 수 있지만 FVB 타입의 비교군의 경우 빛 자극과 관계없는 무작위적인 신경 신호만이 발생되는 것을 확인할 수 있다. As a result, as shown in FIGS. 9A to 9C, in the case of the wild type BALB / c type mouse, since the whole retinal circuit is completely alive, a large number of optical stimulation-derived neural signals are generated In the case of the FVB type comparison group, only the random neural signal irrespective of the light stimulus is generated.

그러나, 바이러스 벡터를 이용하여 광유전자(ChR2)를 발현시킨 실험군은 광수용체가 손생된 FVB 타입임에도 불구하고, 일부 전극에서 빛에 반응하는 신경신호를 다시 확인할 수 있었다(도 9 참조). 실험군에서 나타나는 신경신호(ON set response)는 광수용체에서 유래된 것이 아닌, 이극세포나 신경절 세포에서 광유전자에 의해 자체 유도된 신경신호일 것이므로, 이를 통해 본 발명에 따른 장치는 망막에 광자극을 가함으로써 시각 기능을 복원할 수 있을 것임을 알 수 있다.However, although the experimental group expressing the light gene (ChR2) using the viral vector was able to confirm the light-responsive neuronal signal in some of the electrodes even though the photoreceptor was the FVB type in which the photoreceptor was harvested (see FIG. 9). The ON set response in the experimental group is not derived from a photoreceptor but is a neuronal signal induced by a photoreceptor in a ganglion cell or a ganglion cell. It can be understood that the visual function can be restored.

본 실시예에 따르면, 광자극 장치(20)로서 레이저, LED 등 소정 강도와 파장대를 가지는 광원(미도시)을 포함할 수 있다. 또한, 광자극 장치(20)는 광원에서 나오는 빛을 패턴화하여 출력할 수 있는 SLM(spatial light modulator) 또는 DMD(digital micromirror device) 등의 프로젝션 영상 장치를 포함하여, 사용자에게 인식시키고자 하는 이미지에 따라 패턴화된 빛을 광유전자가 주입된 시각 신경 세포를 선택적으로 가할 수 있다. According to the present embodiment, a light source (not shown) having a predetermined intensity and a wavelength band, such as a laser or an LED, may be included as the optical stimulating apparatus 20. In addition, the optical stimulating apparatus 20 includes a projection light image device such as a SLM (spatial light modulator) or a DMD (digital micromirror device) capable of patterning and outputting light emitted from a light source, To selectively apply the patterned light to the optic nerve cell implanted with the optical gene.

상기 빛의 패턴화는, 예를 들어, 사용자에게 인식시키고자 하는 이미지가 "A"라는 글자인 경우, "A"자를 그대로 본 따는 형상의 패턴화를 의미할 수도 있고, 이미지의 형상 및 채도를 나타내는 특이적 파장대의 빛을 조합한 파장의 패턴화일 수도 있다. For example, when the image to be recognized by the user is the letter " A ", the patterning of the light may mean the patterning of the shape that follows the letter "A " Or a combination of light of a specific wavelength band representing the wavelength.

실험을 통해 인식하고자 하는 사물의 이미지와, 해당 이미지를 사용자가 실제로 인식할 때 활성화되는 시각 신경 세포의 광 유전자의 상관 관계에 대한 지도를 구축하고, 인식되는 사물과 유사한 사물을 인식시키기 위한 시각 신경 세포만을 선택적으로 광 자극해 이미지의 시각화를 이룰 수도 있을 것이다. In order to construct a map of the correlation between the image of the object to be recognized and the optical gene of the visual nerve cell activated when the user actually perceives the image through experiments, It may be possible to visualize the image selectively by selectively stimulating the cells.

광 자극 장치(20)가 가하는 패턴화된 광 자극은 시각 신경 세포에 삽입된 광 유전자에 의해 수용 인식되어 시신경에 시감각을 전달함으로써, 사용자가 사물을 시각적으로 인지할 수 있게 해준다. The patterned light stimulus applied by the light stimulating apparatus 20 is received and recognized by the light gene inserted into the visual nerve cell and transmitted to the optic nerve, thereby allowing the user to visually recognize the object.

본 실시예에 따르면, 사용자가 보고자 하는 사물을 인식하고, 인식된 사물의 이미지를 신호로 변조하여 상기 광자극 장치에 전달하는 이미지 변조기(40)가 포함된다. According to the present embodiment, an image modulator 40 for recognizing an object to be viewed by the user, modulating an image of the recognized object into a signal, and transmitting the modulated image to the optical stimulating apparatus is included.

이미지 변조기(40)는 사물의 영상을 촬영하는 카메라 모듈 또는 적외선 광 등을 감지하는 광 센서 등을 포함할 수 있다. The image modulator 40 may include a camera module for capturing an image of an object, or an optical sensor for detecting infrared light or the like.

이미지 변조기(40)는 사물의 이미지를 수집하여 그 형상 및 채도 등을 나타내는 각종 정보를 처리해, 왜곡된 망막회로를 선택적으로 자극해 원하는 시각정보을 인지할 수 있도록 하는 자극 패턴을 생성하고 광자극 장치(20)의 프로젝션 영상 장치로 전달하여 패턴화된 광자극을 가할 수 있도록 한다. The image modulator 40 collects an image of an object and processes various information indicating its shape and saturation to generate a stimulus pattern that selectively stimulates a distorted retina circuit to recognize desired visual information, 20 to the projection optical system of the projection optical system, so that the patterned optical stimulus can be applied.

본 실시예에 따르면, 세포 특이적 자극이 가능한 광유전학 기술과 비특이적 광범위한 자극 특성을 갖는 기존의 초음파 자극 기술과 접목되어, 생체에 적합한 수준의 자극으로 원하는 신경 세포만 활동전위(action potential)가 발생하도록 선택적으로 자극이 가능하게 되어 정밀하고 안전한 신경 기능 복원 기술 구현할 수 있다. 초음파 자극과 광 자극을 동시에 이용하는 하이브리드 자극 시스템을 통하여 적은 세기의 광자극으로도 시각 신경 세포 기능을 복원할 수 있으므로, 자극으로 인한 체내 손상을 최소화 할 수 있으며, 직접적인 보철 삽입 없이도 망막세포 기능을 개선시킬 수 있다.According to the present embodiment, an ultrasound stimulation technique is combined with a photon genetics technique capable of cell-specific stimulation and a nonspecific wide-range stimulation characteristic, so that only a desired neural cell has an action potential It is possible to perform precise and safe nerve function restoration technology. Hybrid stimulation system using both ultrasound stimulus and optical stimulus simultaneously restores visual nerve cell function even with less intensity of light stimulus. Therefore, it is possible to minimize damage to the body due to stimulation and improve the retinal cell function without direct prosthesis insertion .

<110> Korea Institute of Science and Technology <120> Stimulation system for neuro-modulation using hybrid stimulation <130> 14P393IND <160> 6 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 4650 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> pAAV-MCS <400> 1 cctgcaggca gctgcgcgct cgctcgctca ctgaggccgc ccgggcaaag cccgggcgtc 60 gggcgacctt tggtcgcccg gcctcagtga gcgagcgagc gcgcagagag ggagtggcca 120 actccatcac taggggttcc tgcggccgca cgcgtggagc tagttattaa tagtaatcaa 180 ttacggggtc attagttcat agcccatata tggagttccg cgttacataa cttacggtaa 240 atggcccgcc tggctgaccg cccaacgacc cccgcccatt gacgtcaata atgacgtatg 300 ttcccatagt aacgtcaata gggactttcc attgacgtca atgggtggag tatttacggt 360 aaactgccca cttggcagta catcaagtgt atcatatgcc aagtacgccc cctattgacg 420 tcaatgacgg taaatggccc gcctggcatt atgcccagta catgacctta tgggactttc 480 ctacttggca gtacatctac gtattagtca tcgctattac catggtgatg cggttttggc 540 agtacatcaa tgggcgtgga tagcggtttg actcacgggg atttccaagt ctccacccca 600 ttgacgtcaa tgggagtttg ttttgcacca aaatcaacgg 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Claims

A light stimulating apparatus for applying a light stimulus to a nerve cell in a living body tissue or an organ in which a light gene inducing a change in cell membrane potential by a light stimulus is applied to operate the light gene;
And an ultrasonic stimulation device for applying ultrasonic stimulation to the nerve cell,
Wherein the ultrasound stimulation increases reactivity of the nerve cell and controls the function of the biological tissue or organ by inducing activity of the nerve cell in which the light gene is expressed by the light stimulus .

The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic stimulation is applied at an intensity that does not cause an action potential of the nerve cell.

The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic stimulation apparatus is disposed outside the living body and applies ultrasonic stimulation to the nerve cell without inserting a prosthesis directly into the living body.

The method according to claim 1,
The light gene is expressed in the optic nerve cell of the retina damaged by the photoreceptor,
Wherein the optical stimulus applied by the optical stimulating apparatus is received and recognized by the optical gene expressed in the optic nerve cell and transmits a visual sensation to the optic nerve.

5. The method of claim 4,
Wherein the optical stimulating apparatus selectively patterns light according to an image to be recognized by the user and optically stimulates the optic nerve cell injected with the optical gene.

6. The method of claim 5,
Further comprising an image modulator for recognizing an object, modulating an image of the recognized object into a signal, and transmitting the modulated image to the optical stimulating apparatus.

The method according to claim 1,
The ultrasonic wave stimulating apparatus includes:
A contact lens-type ultrasonic vibrator that can be worn by a user in a pupil, or
And a thin-film ultrasonic vibrator that can be attached to the user's eyes.

8. The method of claim 7,
A user-worn eyeglass body; And
And a controller for controlling the ultrasonic stimulating apparatus and the light stimulating apparatus,
Wherein the optical stimulating apparatus is formed in a lens shape and is coupled to the eyeglass body.

The method of claim 3,
The light gene is expressed in contraction / relaxation tissue functioning through contraction and relaxation,
Wherein the light stimulus applied by the light stimulating apparatus induces activity of muscles and smooth muscle cells of the contraction / relaxation tissue to regulate contraction and relaxation of the contraction / relaxation tissue.

10. The method of claim 9,
Wherein the contraction / relaxation tissue is a tissue constituting a cardiovascular, bladder, or muscle / smooth muscle.

The method according to claim 1,
Wherein the light gene comprises at least one of channelrohodopsin-2 and halorhodopsin.