導 語

腦刺激方法常被用于神經治療與科學研究中，近年來經顱超聲刺激方法逐漸得到人們重視，然而顱骨的存在阻擋了超聲的傳播。植入式壓電超聲刺激器（ImPULS）具有微米級的刺激器，可以對深層腦組織進行有效刺激，不僅提供一種更安全的刺激方法外，還可能成為研究人員了解大腦工作原理的重要工具，相關研究成果發表在《Nature Communications》期刊上。

1、研究背景

經顱聚焦超聲可以在神經組織中實現毫米級分辨率，穿透深度達幾厘米，通過影響機械感受和其他膜結合離子通道來刺激神經元，可以安全評估潛在刺激目標的能力以及可調參數（如頻率和聲強度）使其成為阿爾茨海默病、癲癇和抑郁癥患者神經刺激治療的有利方法。然而，當超聲波從人類顱骨外部傳輸時，會面臨顱骨高聲阻抗的顯著散射和反射，這可能通過骨骼和聽覺通路的傳導導致目標外刺激，甚至造成創傷性、不可逆的腦損傷。

植入式設備可以對大腦進行電和化學調節，在治療神經和精神疾病方面已取得重大進展。最近，關于小型化超聲神經刺激裝置的幾份報告表明，定向超聲能量可以激活培養的神經元和大腦切片中的神經元。然而，由于其剛性的形狀因素、材料成分或高功率要求，所提出的裝置不適合植入到深部腦中。需要一種不含電化學活性元素的可擴展植入系統來填補刺激方法的空白，該植入系統能夠非遺傳地和局部地調節深層皮質下腦區中的神經元。

本研究設計了一種植入式壓電超聲刺激器（ImPULS）,它可以將聲能直接精確地傳遞到大腦深層區域的神經元群，并通過體外/體內刺激實驗證明了ImPULS是一種有效的神經調節工具。

2、研究概述

ImPULS結構

植入式壓電超聲刺激器（ImPULS）是一種柔性壓電微機械超聲換能器（PMUT），采用轉印工藝利用耐用聚合物絕緣的生物相容性壓電陶瓷制造，其中，SU-8作為基板、封裝層和背襯層，KNN作為壓電層，鉻/金和鉑分別用作頂部和底部電極，以及鉻/金作為金屬互連線。選擇KNN作為無鉛壓電層的原因在于其較高的壓電系數和耐用性，以及生物相容性、無毒性和商業可用性。最終的裝置采用柔性ACF電纜和PCB板組裝而成。

ImPULS結構（圖片來自論文）

體外海馬神經元刺激

使用雙光子成像技術評估ImPULS刺激冠狀海馬切片中健康神經元的能力，使用海馬神經元表達基因編碼的鈣指示劑 GCaMP7F反應超聲刺激期間的神經活動。刺激目標為齒狀回中神經元，在60秒的基線期后，使用正弦脈沖刺激神經元50 秒，刺激結束后，再捕獲60秒的群體活動。在超聲刺激期間，視野中的幾個神經元被激活，結果證實ImPULS可以激活局部海馬神經元。

刺激麻醉小鼠的CA1區可誘導cFos表達

為了測試ImPULS在小鼠體內激活細胞群的效力，ImPULS被植入定位到小鼠的海馬結構的背側CA1 (dCA1) 層，并量化dCA1中cFos的相對水平。與無刺激（對照）組相比，所有刺激參數的結果中活動依賴性基因 cFos 的平均水平有所增加，這表明ImPULS足以激活小鼠海馬 dCA1 層中的大量細胞。除此之外，結果還表明ImPULS刺激足以在慢性植入后引發神經元激活，說明ImPULS設備在更長期的時間尺度上具有功能可行性。

對麻醉小鼠的dCA1進行強刺激（圖片來自論文）

刺激黑質密質可調節多巴胺釋放

為了測試ImPULS刺激對體內神經傳遞功能調節的效用，該研究嘗試通過對黑質紋狀體（SNc）進行 ImPULS 刺激來調節黑質紋狀體多巴胺（DA）釋放。結果表明，與刺激前基線相比，SNc刺激期間的DA AUC顯著增加，此外，SNc刺激期間的DA AUC顯著高于對照組刺激，而SNc和對照組刺激期間的基線AUC沒有顯著差異。綜上所述，ImPULS以空間局部的方式引發黑質紋狀體DA釋放。在4只小鼠中，在相同參數下，mPULS介導的SNc刺激1.5s后，DA2m熒光平均分數增加，表明較短時間的刺激足以誘導DA釋放。這些數據表明，空間定位的腦深部超聲刺激能夠調節體內的神經傳遞，甚至可以通過長距離投射。

刺激麻醉小鼠黑質紋狀體釋放多巴胺（圖片來自論文）

3、研究意義

該研究設計了一種微米級的可植入超聲刺激器，它能夠在體外引起海馬中的神經元興奮，在麻醉小鼠的海馬細胞中誘導活動依賴性基因表達，并調節SNc中的多巴胺神經元以引起紋狀體多巴胺釋放的精確時間。通過結合使用ImPULS的定向刺激能力和不同的聲學參數，這種植入式超聲刺激裝置可以發展成為一種多功能工具，既可用于基礎系統神經科學研究，也可用于潛在的治療應用。