Targeted ultrasound stimulation as a therapeutic method for investigating and treating sleep-related disorders has been hindered by the lack of robust and chronic freely moving systems in preclinical studies. Here, we propose sleep and memory modulation in freely moving mice using a microelectromechanical system (MEMS)-based ultrasound transducer and closed-loop system capable of real-time stimulation and simultaneous electrophysiological recording. By targeting the medial prefrontal cortex (mPFC) of mice, we demonstrate an increase in rapid eye movement (REM) sleep and neuroprotective effects to REM sleep deprivation (SD) in spatial working memory. The REM sleep duration remained elevated on the day after stimulation which indicates a chronic effect of ultrasound stimulation. Thus, this work demonstrates the potential of ultrasound-based acoustoceuticals as a therapeutic tool for delineating and treating sleep-related diseases.
수면 관련 질병의 원인을 규명하고 치료하기 위한 기술로 집속 초음파 뇌자극이 활발히 연구되고 있다. 그러나 기존의 초음파 자극 시스템은 자유롭게 움직이는 소형 동물의 행동 연구를 하기에 부족하다. 본 학위 논문에서는 자유롭게 움직이는 쥐에서 수면 및 기억 조절하기 위해 MEMS 기술 기반의 초소형 초음파 변환자와 실시간 자극 및 동시 전기생리학 분석 시스템을 제시한다. 제시한 시스템을 활용하여 쥐의 전두엽 피질(mPFC)을 초음파로 자극하였으며 (1) 빠른 안구 운동(REM) 수면량 증가 및 (2) REM 수면 박탈 모델의 공간 기억력 상쇄 예방 효과를 확인하였다. 또한, 자극 다음 날 REM 수면 지속시간이 증가하여 초음파 자극의 만성적인 효과도 확인하였다. 이 연구 결과는 수면 장애 치료에 초음파 뇌자극 기술이 임상에서 활용될 수 있는 가능성을 보여준다.
