新的工具通过结合超声波和遗传学来激活大脑深层神经元

这是第一项表明声热遗传学可以通过刺激大脑深处的特定目标来控制行为的工作

神经元插图

帕金森病和癫痫等神经系统疾病已经通过深部脑刺激治疗获得了一些成功，但这些需要植入手术装置。圣路易斯华盛顿大学的一个多学科团队开发了一种新的大脑刺激技术，利用聚焦超声可以开启或关闭大脑中特定类型的神经元，并精确控制运动活动，而无需植入外科设备。

该团队由麦凯维工程学院生物医学工程和医学院放射肿瘤学助理教授陈洪(音译)领导，他们是第一个提供直接证据显示大脑中神经元的非侵入性、细胞类型特异性激活的团队通过结合超声波诱导的加热效应和遗传学，他们将其命名为声热遗传学。这也是第一次表明超声波-遗传学结合可以通过刺激大脑深处的特定目标来稳定地控制行为。

这项为期三年的研究由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的大脑计划(BRAIN Initiative)部分资助，研究结果于2021年5月11日在线发表在《大脑刺激》(BRAIN Stimulation)上。

高级研究团队包括来自麦凯维工程学院和医学院的专家，包括生物医学工程教授崔建民;Joseph P. Culver，放射学教授，物理学和生物医学工程;Mark J. Miller，医学院传染病学系副教授;以及迈克尔·布鲁查斯(Michael Bruchas)，他曾在华盛顿大学工作，现在是华盛顿大学麻醉学和药理学教授。

“我们的工作提供了证据，表明声热遗传学在针对大脑深部部位的同时，在自由移动的小鼠中引起了行为反应，”陈说。 “声热遗传学有可能改变我们的神经科学研究方法，并发现理解和治疗人类大脑疾病的新方法。”

Chen和研究小组使用小鼠模型向基因选择的神经元传递了一个包含TRPV1离子通道的病毒构建体。然后，他们通过可穿戴设备通过低强度聚焦超声向大脑中的选定神经元传递少量热量。仅比体温高几度的热量激活了 TRPV1 离子通道，该通道充当打开或关闭神经元的开关。

“我们可以将佩戴在自由活动小鼠头部的超声波设备移动到整个大脑的不同位置，”该论文的第一作者、生物医学工程研究生杨姚恒说。 “因为它是非侵入性的，这项技术有可能在未来扩大到大型动物和潜在的人类身上。”

这项工作建立在崔的实验室进行的研究的基础上，该研究于 2016 年发表在《科学报告》上。崔和他的团队首次发现单独的超声波可以影响离子通道活动，并可能导致新的无创方法来控制特定细胞的活动.在他们的工作中，他们发现聚焦超声将流经离子通道的电流平均调节高达 23%，具体取决于通道和刺激强度。在这项工作之后，研究人员发现了接近 10 个具有这种能力的离子通道，但它们都是机械敏感的，而不是热敏的。

这项工作还建立在光遗传学的概念之上，将光敏离子通道的靶向表达与光的精确传递相结合，以刺激大脑深处的神经元。虽然光遗传学增加了对新神经回路的发现，但由于光散射，它的穿透深度有限，并且需要手术植入光纤。

陈说，声热遗传学有望以毫米级分辨率瞄准小鼠大脑中的任何位置，而不会对大脑造成任何损害。她和团队继续优化技术，并进一步验证他们的发现。