Microscale Neuronal Stimulation with Temporal Interfering Electric Fields

Abstract

Temporal interference stimulation (TIS) utilizes electric fields with two distinct frequencies creating a beat frequency equivalent to their difference. The electric field with the beat frequency can be used for neural stimulation at a specific location because neuronal membranes filter out the high-frequency signals and resonate with low-frequency signals within the beat frequency range. In 2017, Grossman introduced a non-invasive deep brain stimulation technique using TIS, prompting many research teams to focus on non-invasive brain stimulation with TIS. However, the effects of TIS on neurons at the microscale have not been clearly verified. This study aims to confirm the feasibility of TIS at the microscale using cultured hippocampal neurons on a planar microelectrode array. First, a simulation is performed to confirm the interference electric field distribution on microelectrodes. When 2.5 V was applied in various ratios, it was confirmed that an electric field of approximately 10 mV/mm moved within a 1 mm range. In the experiments with neuronal cultures, TIS with was applied with varying beat frequencies on fixed bipolar channels. As control experiments, single-frequency stimulations were also performed with a monopolar configuration at 20 and 1000 Hz. The stimulation protocol included 50 ms intermittent stimulation and 1 min continuous stimulation. Intermittent TIS stimulation results showed the highest neural response at a beat frequency of 41 Hz, with significant neural activity also noted at 63 Hz. In continuous TIS stimulation, the evoked neural activity peaked at a beat frequency of 20 Hz. The greater neural activity observed at relatively low frequencies, which is consistent with the neurons' tendency responding more readily to low-frequency signals. This study suggests the potential for microscale neurostimulation with TIS. The proposed technique could be applied to various neural prosthetic systems with a significantly enhanced spatial resolution.;시간 간섭 자극술(TIS)은 두 개 이상의 고주파 전기장을 겹쳐 저주파의 맥놀이 주파수를 발생시킴으로써 특정 위치에서 원하는 주파수의 간섭 전기장을 형성하는 원리를 기반으로 한다. 신경 세포막은 고주파 신호를 필터링하고, 저주파 신호에 공명하는 특성을 가지고 있어 저주파의 맥놀이 주파수 대역에서만 신경 신호가 활성화된다. Grossman 연구팀은 2017년, TIS를 이용한 비침습적 뇌 심부 자극술을 제시했고, 많은 연구팀이 Grossman의 접근법을 따른 비침습적 뇌 자극에 초점을 맞추고 있다. 그러나, 마이크로 스케일에서의 TIS가 신경 세포에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 상황이다. 이에 본 연구는, 평판형 미세 전극 어레이에 해마 세포를 배양하여 마이크로 스케일에서 TIS가 적용 가능한지 확인하고자 했다. 먼저 미세 전극 상에서의 간섭 전기장 분포를 관찰하기 위해서 시뮬레이션 프로그램을 사용했다. 2.5 V의 정전압을 다양한 비율로 인가했을 때, 약 10 mV/mm의 전기장이 1 mm 범위에서 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 해마 세포 배양 미세 전극 자극 실험의 자극 파라미터는 크게 두 가지로 이루어졌다. TIS 자극은 맥놀이 주파수를 점차 올려가며 양극성으로 채널을 고정하여 인가하였고, 단일 주파수 자극은 20, 1000 Hz로 신경 활성을 띠는 채널에 단극성으로 가해졌다. 자극 프로토콜은 50 ms의 간헐적 자극과 1 min의 연속적 자극으로 실행되었다. 실험 결과 간헐적 자극에서는 단일 주파수 20 Hz 자극에서 신경 활성도가 높았다. TIS에서는 맥놀이 주파수가 41 Hz일 때 가장 큰 신경 반응을 보였고, 63 Hz에서도 신경 활성도가 높아지는 것을 확인했다. 연속적 자극에서는 단일 주파수 20 Hz 자극에서 신경 활성도가 높았다. TIS에서는 맥놀이 주파수가 20 Hz일 때 가장 큰 신경 반응을 보였다. 비교적 낮은 주파수에서 신경 활성도가 높은 결과가 나온 것은 저주파 선호 특성을 보이는 신경 세포의 특성과 일치한다. 본 연구는 마이크로 스케일의 TIS에서 신경 세포 활동 조절 가능성을 제시하였다. TIS가 마이크로 스케일에서 자유롭게 제어 가능한 기술로 발전한다면, 다양한 침습적 신경 보철에서 해상도를 높이는 데 사용될 수 있을 것으로 예상한다.