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A piezoelectric micromachined ultrasound transducer combined with recording electrodes for acute brain preparations in vitro

神经调节 超声波 生物医学工程 局部场电位 超声波传感器 传感器 切片制备 脑-机接口 刺激 材料科学 微电极 神经科学 电生理学 医学 化学 声学 电极 脑电图 生物 放射科 物理 物理化学
作者
Ryo Furukawa,Takahiro Yoshikawa,Shuichi MURAKAMI,Takashi Tateno
出处
期刊:Journal of Neuroscience Methods [Elsevier BV]
卷期号:403: 110048-110048
标识
DOI:10.1016/j.jneumeth.2023.110048
摘要

Ultrasound stimulation is used to noninvasively stimulate the local and deep areas of the brain. However, the detailed cellular mechanisms of neural activation are still unclear because studies on micro-stimulation at the cellular level are lacking. To modulate neural activity at the cellular level, we developed a piezoelectric micromachined ultrasound transducer (PMUT), having circular diaphragms for application on acute brain slice preparations. To monitor neural activities, additionally, we fabricated recording microelectrodes onto the same PMUT device for closed-loop application. To examine the PMUT-driven cellular responses of a brain slice, intracellular calcium signals in individual cells were measured using two calcium indicators. We successfully observed the intracellular responses triggered by the ultrasound of our novel PMUT. In addition, we performed recordings of local field potentials in a brain slice, demonstrating its usefulness as a simultaneous recording interface. Conventional ultrasound stimulators are open-loop systems that risk inducing excessive neural activity because of the absence of neural activity monitoring. In contrast, our PMUT is packaged in a single device with both stimulation and sensor interface for neuromodulation. Further, there are no published reports on in vitro microdevices that can be used for ultrasound stimulation in rodent cortical slices that are several hundred micrometers thick, which maintain the cortical laminar structure and intrinsic neural networks. Our findings suggest that this novel PMUT device has the potential for being a powerful tool for in vitro brain slice applications and effective closed loop ultrasound stimulation.
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