Retina-inspired artificial synapses and near-infrared optoelectronic neurostimulation devices using quantum dots
Kuantum noktaları kullanarak retina ilhamlı yapay sinapslar ve yakın kızılötesi optoelektronik nörostimülasyon cihazları
- Tez No: 904973
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU, PROF. DR. AFSUN ŞAHİN, DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN ULUŞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
Nöronlar, sinir sisteminin yapı taşları olup elektriksel ve kimyasal sinyallerin üretilmesi, alınması ve iletilmesinden sorumludur. Biyomimetik sinyal üretimi ve biyolojik-elektronik ara yüzlerde iletimi, biyolojik işlevlerin geri kazanılmasını, değiştirilmesini veya geliştirilmesini sağlayabilir. Ayrıca, ayrı bellek ve işlem birimlerine ihtiyaç duymadan etkin olay yönlendirmeli işlem ve yüksek doğruluklu algılama sunabilir. Nöronların işlevlerinden ilham alınarak geliştirilen nöromorfik biyoelektronik, hücrelerle biyomimetik iletişim sağlamayı mümkün kılma potansiyeline sahiptir. Bu sistemler, sulu ortamlarda çalışma, nörositimülasyon için yeterli iyon akımlarının üretilmesi ve plastisite gerektirir. Bu tezde, foto-algılama, bellek ve nörositimülasyon işlevlerini tek bir cihazda birleştiren yeni bir kompakt nöromorfik sinaps tanıtılmaktadır. Hücre arayüzeyine sahip InP/ZnS kuantum noktaları kullanılarak, bu cihaz foto-faradaik yük-transferi aracılı plastisite ile yapay foto-soğurma sağlamaktadır. Cihaz, hipokampal nöronlarda, nöronal sinyallerin doğal biyomimetik zamansal toplamını simüle eden çift-darbe fasilitasyonu ve post-tetanik potansiyasyon gösteren uyarıcı post-sinaptik akımlar indüklemektedir. Ayrıca, bu tezde gümüş bizmut sülfat (AgBiS2) kolloidal nano kristallerin fotovoltaik retina implantları için potansiyeli araştırılmaktadır. Kimyasal stabilitesi ve toksik ağır metalleri içermemesi ile bilinen AgBiS2 nano kristalleri, silikon ve PbS, CdTe ve perovskit gibi birçok inorganik nano kristalden daha yüksek (>105 cm-1) bir soğurma katsayısına sahiptir. Suya dayanıklı fotovoltaik bir biyoelektronik cihaza entegre edilen ince bir AgBiS2 nano kristal tabakası (24 nm), yapay beyin-omurilik sıvısında yüksek seviyede kapasitif foto-akım (2.17 ± 0.2 mA.cm-2) ve iyonik yük (10.97 ± 0.7 µC.cm-2) üretmektedir. Cihazın uzun vadeli stabilitesi ve nöronlara toksik olmaması, biyoelektronik uygulamalar için uygunluğunu vurgulamaktadır. Birincil hipokampal nöronlar üzerindeki elektrofizyolojik çalışmalar, bu cihazların göz güvenliği sınırları içinde NIR yoğunluk seviyelerinde nöron ateşlemesini tetikleyebildiğini ortaya koymaktadır. Özetle, bu tez, NIR spektrumu penceresinde çalışan ilk toksik ağır metal içermeyen nano kristal tabanlı optoelektronik biyoarayüzü ortaya koymuştur. Ayrıca, kuantum noktalarının, gelecekteki retina implantları için hücrelerin geleneksel olmayan ve biyomimetik kontrolü konusunda yüksek bir vaatte bulunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Neurons are the building blocks of the nervous system and are responsible for generating, receiving, and transmitting electrical and chemical signals. By replicating the functionality of biological neurons, it is possible to achieve response capabilities that mimic human abilities. Such biomimetic signal generation and transmission at bio-electronic interfaces can restore, replace, or enhance biological functions. In addition, it can provide efficient event-driven processing and high-accuracy perception without separate memory and processing units. Neuromorphic bioelectronics, inspired by the functions of neurons, have the potential to enable biomimetic communication with cells. These systems necessitate operation in aqueous environments, generation of sufficient ionic currents for neurostimulation, and plasticity. In this thesis, a novel compact neuromorphic synapse is introduced, combining photodetection, memory, and neurostimulation functionalities within a single device. Utilizing cell-interfacing InP/ZnS quantum dots, this device achieves artificial photoreception through photo-faradaic charge-transfer mediated plasticity. The device induces excitatory post-synaptic currents that exhibit paired-pulse facilitation and post-tetanic potentiation in hippocampal neurons, simulating the natural biomimetic temporal summation of neuronal signals. Additionally, this thesis explores the potential of silver bismuth sulfide (AgBiS2) colloidal nanocrystals for photovoltaic retina implants. AgBiS2 nanocrystals, known for their chemical stability and absence of toxic heavy metals, have an exceptional absorption coefficient (>105 cm-1) in the near-infrared (NIR) spectrum, surpassing silicon and many of inorganic nanocrystals such as PbS, CdTe, and perovskite. An ultrathin AgBiS2 nanocrystal layer (24 nm) is integrated into a water-stable photovoltaic bioelectronic device, which produces high-level capacitive photocurrent (2.17 ± 0.2 mA.cm-2) and ionic charge (10.97 ± 0.7 µC.cm-2) in artificial cerebrospinal fluid. The long-term stability of the device and non-toxicity to neurons underscore its suitability for bioelectronic applications. Electrophysiological studies on primary hippocampal neurons reveal that these devices can elicit neuron firing at NIR intensity levels well within ocular safety limits. To sum up, this thesis demonstrated the first toxic heavy-metal-free nanocrystal-based optoelectronic biointerface operating within the NIR spectral window. Moreover, it shows that quantum dots hold high promise for unconventional and biomimetic control of cells for future retina implants.
Benzer Tezler
- Doğadan esinlenen koku ve ikili görüye dayalı gerçek zamanlı bir gömülü sistem tasarımı
A bio-inspired real time embedded system design based on olfaction and stereo vision
SELMAN ERGÜNAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
- İş süreçlerinde insan görüsünü derin öğrenme ile destekleme
Supporting human vision with deep learning on business process
ALTUĞ YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolTrakya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CEM TAŞKIN
- Novel biocompatible quantum dots and nanoengineered assemblies for optoelectronic neural interfaces
Optoelektronik nöral arayüzleri için yeni biyouyumlu kuantum noktaları ve nanoteknolojik birleşimler
HOUMAN BAHMANI JALALI
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Siber sergi mimarisinde aydınlatma estetiği ve akustik tasarım
Lighting aesthetics and acoustic design in cyber exhibition architecture
BİRGÜL SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Güzel SanatlarDokuz Eylül ÜniversitesiSanat ve Tasarım Ana Sanat Dalı
PROF. DR. SİMBER RANA ATAY
- Nöromorfik devre tasarımı ve yeni uygulamaları
Neuromorphic circuit design and its new applications
MELİH YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT KAÇAR