基于PMUT的植入式超声刺激器实现多巴胺调节

脑刺激方法常被用于神经治疗与科学研究中，近年来经颅超声刺激方法逐渐得到人们重视，然而颅骨的存在阻挡了超声的传播。植入式压电超声刺激器（ImPULS）具有微米级的刺激器，可以对深层脑组织进行有效刺激，不仅提供一种更安全的刺激方法外，还可能成为研究人员了解大脑工作原理的重要工具，相关研究成果发表在《Nature Communications》期刊上。

经颅聚焦超声可以在神经组织中实现毫米级分辨率，穿透深度达几厘米，通过影响机械感受和其他膜结合离子通道来刺激神经元，可以安全评估潜在刺激目标的能力以及可调参数（如频率和声强度）使其成为阿尔茨海默病、癫痫和抑郁症患者神经刺激治疗的有利方法。然而，当超声波从人类颅骨外部传输时，会面临颅骨高声阻抗的显著散射和反射，这可能通过骨骼和听觉通路的传导导致目标外刺激，甚至造成创伤性、不可逆的脑损伤。

植入式设备可以对大脑进行电和化学调节，在治疗神经和精神疾病方面已取得重大进展。最近，关于小型化超声神经刺激装置的几份报告表明，定向超声能量可以激活培养的神经元和大脑切片中的神经元。然而，由于其刚性的形状因素、材料成分或高功率要求，所提出的装置不适合植入到深部脑中。需要一种不含电化学活性元素的可扩展植入系统来填补刺激方法的空白，该植入系统能够非遗传地和局部地调节深层皮质下脑区中的神经元。

本研究设计了一种植入式压电超声刺激器（ImPULS）,它可以将声能直接精确地传递到大脑深层区域的神经元群，并通过体外/体内刺激实验证明了ImPULS是一种有效的神经调节工具。

ImPULS结构

植入式压电超声刺激器（ImPULS）是一种柔性压电微机械超声换能器（PMUT），采用转印工艺利用耐用聚合物绝缘的生物相容性压电陶瓷制造，其中，SU-8作为基板、封装层和背衬层，KNN作为压电层，铬/金和铂分别用作顶部和底部电极，以及铬/金作为金属互连线。选择KNN作为无铅压电层的原因在于其较高的压电系数和耐用性，以及生物相容性、无毒性和商业可用性。最终的装置采用柔性ACF电缆和PCB板组装而成。

ImPULS结构

（图片来自论文）

体外海马神经元刺激

使用双光子成像技术评估ImPULS刺激冠状海马切片中健康神经元的能力，使用海马神经元表达基因编码的钙指示剂 GCaMP7F反应超声刺激期间的神经活动。刺激目标为齿状回中神经元，在60秒的基线期后，使用正弦脉冲刺激神经元50 秒，刺激结束后，再捕获60秒的群体活动。在超声刺激期间，视野中的几个神经元被激活，结果证实ImPULS可以激活局部海马神经元。

刺激麻醉小鼠的CA1区可诱导cFos表达

为了测试ImPULS在小鼠体内激活细胞群的效力，ImPULS被植入定位到小鼠的海马结构的背侧CA1 (dCA1) 层，并量化dCA1中cFos的相对水平。与无刺激（对照）组相比，所有刺激参数的结果中活动依赖性基因 cFos 的平均水平有所增加，这表明ImPULS足以激活小鼠海马 dCA1 层中的大量细胞。除此之外，结果还表明ImPULS刺激足以在慢性植入后引发神经元激活，说明ImPULS设备在更长期的时间尺度上具有功能可行性。

对麻醉小鼠的dCA1进行强刺激

（图片来自论文）

刺激黑质密质可调节多巴胺释放

为了测试ImPULS刺激对体内神经传递功能调节的效用，该研究尝试通过对黑质纹状体（SNc）进行 ImPULS 刺激来调节黑质纹状体多巴胺（DA）释放。结果表明，与刺激前基线相比，SNc刺激期间的DA AUC显著增加，此外，SNc刺激期间的DA AUC显著高于对照组刺激，而SNc和对照组刺激期间的基线AUC没有显著差异。综上所述，ImPULS以空间局部的方式引发黑质纹状体DA释放。在4只小鼠中，在相同参数下，mPULS介导的SNc刺激1.5s后，DA2m荧光平均分数增加，表明较短时间的刺激足以诱导DA释放。这些数据表明，空间定位的脑深部超声刺激能够调节体内的神经传递，甚至可以通过长距离投射。

刺激麻醉小鼠黑质纹状体释放多巴胺

（图片来自论文）

该研究设计了一种微米级的可植入超声刺激器，它能够在体外引起海马中的神经元兴奋，在麻醉小鼠的海马细胞中诱导活动依赖性基因表达，并调节SNc中的多巴胺神经元以引起纹状体多巴胺释放的精确时间。通过结合使用ImPULS的定向刺激能力和不同的声学参数，这种植入式超声刺激装置可以发展成为一种多功能工具，既可用于基础系统神经科学研究，也可用于潜在的治疗应用。