[논문 리뷰] Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision

Yue‐Ming Li, Ying Jiang외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 19.

Pain Management and Treatment인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 양초 연기 나노입자를 곡면 폴리디메틸실록세인 필름에 함유한 부드러운 옵토압축 패드(SOAP)를 사용하여 광학적으로 생성된 집중 초음파(OFUS)를 도입하며, 기존의 경두개 집중 초음파(tFUS)보다 두 개의 주기보다 더 높은 83 µm의 횡방향 해상도를 달성한다. 이 방법은 단지 0.6 mJ/cm²의 음향 에너지만으로 비침습적이고 하위밀리미터 정밀도의 마우스 운동 피질 자극을 가능하게 하며, tFUS보다 네 개의 주기 낮은 에너지를 사용한다. 이는 뉴로과학 및 치료적 적용을 위한 초고정밀 뉴로모듈레이션을 입증한다.

ABSTRACT

High precision neuromodulation is a powerful tool to decipher neurocircuits and treat neurological diseases. Current non-invasive neuromodulation methods offer limited precision at the millimeter level. Here, we report optically-generated focused ultrasound (OFUS) for non-invasive brain stimulation with ultrahigh precision. OFUS is generated by a soft optoacoustic pad (SOAP) fabricated through embedding candle soot nanoparticles in a curved polydimethylsiloxane film. SOAP generates a transcranial ultrasound focus at 15 MHz with an ultrahigh lateral resolution of 83 um, which is two orders of magnitude smaller than that of conventional transcranial-focused ultrasound (tFUS). Here, we show effective OFUS neurostimulation in vitro with a single ultrasound cycle. We demonstrate submillimeter transcranial stimulation of the mouse motor cortex in vivo. An acoustic energy of 0.6 mJ/cm^2, four orders of magnitude less than that of tFUS, is sufficient for successful OFUS neurostimulation. OFUS offers new capabilities for neuroscience studies and disease treatments by delivering a focus with ultrahigh precision non-invasively.

연구 동기 및 목표

• 고도의 뉴로과학 연구를 위한 비침습적 뇌 자극 기법을 개발하는 것.
• 현재 비침습적 뉴로모듈레이션 기술의 제한된 횡방향 해상도(일般적으로 밀리미터 수준)를 극복하는 것.
• 효과적인 자극을 위해 필요한 음향 에너지를 줄여 조직 손상 위험을 최소화하는 것.
• 수술적 개입 없이 뇌의 특정 신경 회로를 정밀하게 타겟팅하는 것.
• in vitro 및 in vivo 모델에서 광학적으로 생성된 집중 초음파(OFUS)의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• OFUS 시스템은 양초 연기 나노입자를 곡면 폴리디메틸실록세인 필름에 매립하여 제작한 부드러운 옵토압축 패드(SOAP)를 사용하여 광열 효과를 통해 초음파를 생성한다.
• 레이저 조사 시 SOAP은 국소적 열팽창을 유도하여 15 MHz에서 매우 집중된 초음파를 생성한다.
• SOAP의 곡면 기하학적 구조는 음향 렌징을 통해 하위100 µm 이내의 횡방향 해상도를 달성한다.
• 시스템은 경두개 적용을 위해 설계되어 두개골을 통과시켜 비침습적으로 초음파를 전달할 수 있다.
• 나노입자 분포와 레이저 펄스 지속시간을 최적화하여 음향 에너지를 최소화함으로써 단지 0.6 mJ/cm²의 에너지만으로도 효과적인 자극을 달성한다.
• in vivo 검증은 옵토지질학적 및 전기생리학적 검사를 통해 마우스의 운동 피질 정확한 활성화를 확인하는 데 사용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적으로 생성된 집중 초음파는 경두개 뇌 자극에서 하위100 µm 이내의 횡방향 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존의 tFUS보다 네 개 주기 낮은 음향 에너지로 효과적인 뉴로모듈레이션을 달성할 수 있는가?
• RQ3 OFUS는 마우스의 뇌 특정 영역, 예를 들어 운동 피질을 비침습적으로 정밀하게 자극할 수 있는가?
• RQ4 OFUS를 사용할 때 신뢰할 수 있는 신경 활성화를 위해 필요한 최소 음향 에너지는 얼마인가?
• RQ5 OFUS는 기능적 뇌 회로를 맵핑하기에 충분한 공간 정밀도로 신경 회로를 자극할 수 있는가?

주요 결과

• OFUS 시스템은 횡방향 해상도 83 µm를 달성하였으며, 이는 기존의 경두개 집중 초음파(tFUS)보다 두 개 주기 높은 정밀도이다.
• 단일 초음파 사이클만으로도 in vitro에서 성공적으로 신경 자극이 이루어졌으며, 이는 높은 시간 정밀도를 의미한다.
• 마우스의 운동 피질에 대한 in vivo 자극은 하위밀리미터 정밀도를 달성하였으며, 전기생리학적 기록을 통해 정확한 활성화가 확인되었다.
• 효과적인 자극을 위해 필요한 음향 에너지는 0.6 mJ/cm²였으며, 이는 일반적인 tFUS 적용보다 네 개 주기 낮은 수준이다.
• 부드러운 옵토압축 패드(SOAP)는 두개골이나 주변 조직을 손상시키지 않으면서도 효율적인 비침습적 경두개 초음파 집중을 가능하게 하였다.
• OFUS 시스템은 여러 차례의 시험에서 안정적이고 반복 가능한 성능을 보였으며, 임상 및 연구 적용 가능성을 시사한다.