초음파 신경조절은 뇌질환을 비침습적으로 치료하는 새로운 신경치료 기술로 널리 주목받고 있다. 강도 범위가 1 W/cm² 미만인 저강도 초음파 자극은 연조직 재생, 신경 조절, 외상성 뇌 손상을 치료하는 비열 치료 도구로 입증되었다. 현재까지 여러 연구에서 다양한 음향 변수 패턴이 소동물과 인간의 신경활동을 양방향으로 조절 할 수 있다는 것을 성공적으로 보여주었다. 하지만, 정밀한 초음파 자극 패턴을 전달할 수 있는 신뢰도 높은 초음파 세포 자극 플랫폼의 부재로 인하여 어떠한 기준으로 흥분성 또는 억제성 신경 반응을 유도하는지 불분명하다. 따라서, 본 연구에서는 다량의 세포에 균일한 초음파 자극을 전달하면서 동시에 칼슘 이미징과 전기 생리학적 관찰을 수행할 수 있는 유리커버슬립 통합 초음파 변환자이 Ultrasonocoverslip 을 개발하였다. 또한, 변환자 하부와 대물 렌즈 주변에 초음파 흡음재를 설치함으로써 초음파 반향을 최소화 하였다. 이를 통해, 사용자가 원하는 정밀한 초음파 자극 패턴을 신경 세포에 전달할 수 있도록 하였다.

Ultrasonocoverslip 을 통해 약물 실험을 진행함으로서 짧고 강한 자극 (6 MHz, 0.15 MPa, 0.5 s)을 별세포에 전달함으로써 흥분성 칼슘 반응의 기본적인 원리가 별세포의 TRPA1 채널에 의한 것임을 확인하였다. 더 나아가, 세포 실험에서 사용된 초음파 패턴과 동일한 자극으로 마우스의 운동 피질에 초음파 자극을 전달함으로써 꼬리 움직임을 성공적으로 유도하였다. 이 결과를 통해 Ultrasonocoverslip 에 의해 획득한 음향 변수가 살아있는 소동물에서도 적용가능함을 확인할 수 있었다.

그 다음, Ultrasonocoverslip 을 이용하여 강하고 짧은 자극에 흥분성 반응이 유도됨과 반대로, 약하고 긴 자극 (6 MHz, 0.05 MPa, 5s)을 통해 별세포에서 억제성 칼슘 반응을 성공적으로 유도하였다. 또한, 세포막에 위치한 칼슘 및 나트륨 이온을 교환하는 Sodium Calcium Exchanger (NCX)가 지속적인 초음파 자극에 직접 활성화되어 별세포에서 억제 반응을 유도하는 것을 확인하였다. 이 발견은 세계 최초로 초음파에 의해 유도된 억제성 반응의 기전을 밝힌 첫 사례이다.

마지막으로, 이런 억제성 반응이 소동물에서도 유도되는지 확인하기 위해 광학적으로 투명한 초음파 변환자 (AOW)를 개발하였다. AOW 는 광학적으로 투명한 전극을 광학적으로 투명한 압전 소자에 적층하여 제작되었다. 이 변환자를 통해 약하고 긴 초음파 자극이 억제성 뉴런의 칼슘 반응을 유도하는데 성공하였다.

이렇게 개발한 두 가지 변환자를 이용하여 세포와 소동물의 신경활동을 양방향으로 조절하는데 두 가지 다른 패턴 (단기 강한 자극, 장기 약한 자극)의 초음파 자극이 사용될 수 있음을 보여주었다. 더 나아가 훙분성 반응의 원천은 별세포의 TRPA1 이온 채널이며 억제성 반응의 원천은 세포막에 위치한 NCX 임을 밝히는 것에 성공 하였다.

장기 약한 자극의 초음파 패턴이 NCX 를 통해 억제성 반응을 유도함에 따라서, 앞으로는 이러한 초음파 자극이 실제로 소동물에서 어떤 실질적인 변화를 일으키는지 연구할 필요가 있다. 예를 들면, 마우스는 그들의 포식자의 오줌을 맡는 경우 내재적인 공포를 느끼게 되어 움직임이 둔화하게 되는데 이는 마우스의 전측대상회 피질 (ACC)와 기저외측편도체 (BLA)에 의해 조절된다. 이러한 사실을 이용하여 전측대상회 피질을 장기 약한 자극을 가하여 신경 활동을 억제할 수 있다면 마우스가 포식자의 오줌 냄새를 맡더라도 내재적인 공포를 느끼지 못해 움직임이 다시 활성화 될 수 있음을 보여줄 수 있을 것으로 예상한다.