초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 인공망막을 구현하기 위한 기본연구로, 망막의 바이오적인 동작을 이해하여 Hodgkin-Huxley (HH) 전기적인 회로모델로 표현하고, 이를 바탕으로 behavioral level의 시뮬레이션 플랫폼을 구축하여 바이오 실험을 예측할 수 있는 시스템을 구축한다. 또한 시뮬레이션을 결과를 바탕으로 망막의 bipolar cell, ganglion cell을 M-CMOS(memristor-CMOS)회로로 구현하고, CMOS이미지센서를 기반으로 하는 photo-receptor회로와 결합하여 인공망막 구현의 발판

□ 연구개요
본 연구는 인공망막을 구현하기 위한 기본연구로, 망막의 바이오적인 동작을 이해하여 Hodgkin-Huxley (HH) 전기적인 회로모델로 표현하고, 이를 바탕으로 behavioral level의 시뮬레이션 플랫폼을 구축하여 바이오 실험을 예측할 수 있는 시스템을 구축한다. 또한 시뮬레이션을 결과를 바탕으로 망막의 bipolar cell, ganglion cell을 M-CMOS(memristor-CMOS)회로로 구현하고, CMOS이미지센서를 기반으로 하는 photo-receptor회로와 결합하여 인공망막 구현의 발판을 마련하였다. 최종적으로 구현한 시뮬레이션 플랫폼에서 망막의 노드전위와 동작을 볼 수 있어 바이오 실험에 크게 도움을 줄 수 있으며, 인공망막칩의 기반 기술로 활용될 수 있다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도의 연구목표는 망막의 bipolar cell 및 ganglion cell의 전기적모델링 연구로 H-H모델을 기반으로 하는 bipolar 및 ganglion cell 모델링을 완성하였다. 빛을 받아들이는 광수용체에서 양극 세포로의 신호전달은 신경전달 물질인 글루타메이트의 분출 과정에 의해 화학적 시냅스에서 이루어진다. 또, 시냅스 전류 식은 이전 시냅스 세포의 반응과 이후 시냅스 세포의 막전위를 식으로 표현이 하였다. Ganglion cell은 이전 세포의 점진적 막전위를 입력으로 받아 빛의 정보를 일렬의 스파이크 형태로 변환해서 시신경을 통해 시각피질(visual cortex)로 정보를 전달하는 것으로 전류에 대한 비선형 상미분방정식으로 나타내었다.
2차년도는 H-H모델에 기반한 망막 path 전체 시뮬레이터 구현으로 본 연구에서는 정전압 방정식을 기반으로 하는 망막 플랫폼을 완성하였다. 기존 플랫폼의 전류 방정식을 비선형 적분 시스템인 전압에 따른 방정식으로 변환을 한다. 전압방정식은 수학적인 매핑을 통하여 적은 조건 수, 둔감한 종점 특이성에 대한 관점에서 계산 효율성을 증가시킬 수 있다. 이러한 변환은 비선형 상미분방정식 시스템을 수치적으로 푸는데 있어서 수식과 신호흐름 사이에 매핑을 명확하게 한다. 전압방정식을 풀어서 photo-receptor에서부터 활동전위를 발생하여 뇌로 신호를 전달하는 ganglion cell까지 비선형 시스템을 해석하여 막전위를 얻는 방정식을 완성하였다.
3차 년도에서는 어레이구조의 망막 시뮬레이션 및 결과분석으로 망막을 구성하는 신경세포들의 네트워크 모델을 시뮬레이션하여 각 세포와 시냅스의 반응을 사용자가 손쉽게 분석할 수 있도록, PC에서 실행 가능한 망막 모델 시뮬레이터를 설계하였고, 구현한 시뮬레이터는 사용자가 선택한 신호 전달 경로에 맞게 해석할 세포들의 모델이 코드로 기술된 함수를 선택하여 호출하고, 모델에 포함된 방정식에서 사용되는 상수들을 선언하고 초기화하며, 다이얼로그에서 사용자가 입력한 매개변수의 값을 함수 안으로 가져와 모든 노드에서 막전위의 모니터링이 가능 하다.

□ 연구개발결과의 중요성
사람의 망막은 photo-receptor에서 얻어진 빛의 신호가 optic nerve를 통하여 뇌의 visual cortex 로 전달되어진다. 망막은 10¹⁰개 세포어레이로 조직되어 있으나, 지금까지 망막에 관한 연구는 한 개의 채널을 통하여 신호가 전달되는 규명을 하여 왔다. 본 연구에서 초기단계에는 망막의 단위셀 cone, rod cell, ganglion cell의 전기적 모델링 및 회로구현의 성과를 얻었고 후반부에서는 어레이 구조의 망막 시뮬레이터를 구현하였다.
1. 전기적인 모델링을 바탕으로 얻어진 회로는 망막을 칩으로 제작 할 수 있어 인공망막의 시대를 열어가는 기반이 될 수 있으며,
2. 망막 어레이 플랫폼에서 망막의 동작을 시뮬레이션으로 볼 수 있는 것은 바이오 적인 실험의 결과에서 볼 수 없는 내부 노드의 동작을 모니터링 할 수가 있어, 실험연구에 결과도출에 큰 도움을 줄 수 있다

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 1) 망막의 전류모델 ... 4
• 2) 전압방정식 기반의 망막 플랫폼 ... 4
• 3) 시뮬레이터 제작 ... 4
• 4) 신호전달 경로 ... 5
• 5) 시뮬레이션 흐름 ... 6
• 6) 시뮬레이션 결과 및 분석 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 10
• 4. 참고문헌 ... 10
• 5. 연구성과 ... 11
• 끝페이지 ... 12