Science news 快讯 | 声热遗传学无创激活深部脑区特定类型的神经元

      脑功能和脑疾病研究的关键是需要通过无创的技术对特定脑区的特定类型神经元进行调控。深部脑刺激已经成为治疗帕金森氏病和癫痫的常见手段，但是由于手术需要植入电极，且不能特异性调节神经元活性，治疗的稳定性难以保证。光遗传学虽然能特异性调节神经元的活性，但需要将光纤埋置入大脑中，会损伤脑组织并增加感染的风险。而在现有的非侵入性治疗的研究手段中，都会无选择性的刺激治疗脑区不同类型的细胞，导致治疗的可靠性和重复性较低。

      小编给大家推荐圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院生物医学工程助理教授Hong Chen领导的研究团队2021年5月11日发表在《Brain Stimulation》的文章“Sonothermogenetics for noninvasive and cell-type specific deep brain neuromodulation”，该团队开发了一种使用聚焦超声（Focused ultrasound，FUS）的非侵入性深部脑刺激技术，该技术在不需要任何手术植入设备的基础上，可以在短时间内打开或者关闭大脑中特定类型的神经元，并能精确调控小鼠的行为。FUS技术可以无创的靶向脑中的任何区域，Hong Chen的团队首先利用病毒载体在小鼠特定类型的神经元中选择性表达热敏感离子通道蛋白（TRPV1），随后通过低强度的FUS产生一个短脉冲，迅速将局部组织升温，从而激活表达TRPV1通道的神经元。TRPV1通道的激活温度约为42度，并且该通道的电导比光遗传学通道的电导高约1000倍。通过实验发现基于TRPV1通道的声热遗传学能够实现对哺乳动物深部脑区特定神经元活性的调控，并影响小鼠的行为活动。

图1：声热遗传学的工作原理

      声热遗传学在FUS技术的基础上，利用热敏感通道蛋白，实现了在短时间内对大脑深部特定类型的细胞进行无创的精细化调控，首次证实了超声波结合遗传学非侵入性调节特异性调节神经元活性的可行性。

     “我们的工作能无创的影响小鼠大脑深部的神经元活性，并能引起自由活动小鼠的行为反应”，Chen说到，“声热遗传学有可能改变我们神经科学的研究方法，并且有可能成为发现、理解和治疗人类大脑疾病的新方法。”声热遗传学有望在毫米级分辨率的基础上时空特异性调控大脑任何脑区的细胞活性，且并不会对任何脑组织造成损伤。Chen表示，她和她的团队将对声热遗传学技术进行进一步的优化，以期这种靶向大脑深部的非侵入性和细胞特异性的治疗方案能推进神经科学的研究进展，并加速神经系统疾病治疗的临床转化。

      论文第一作者Yang说到：“我们可以把戴在自由活动老鼠头上的超声波装置移动到整个大脑的不同位置。”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。”

      这项工作建立在2016年发表在《Scientific Reports》上的崔教授实验室研究的基础上。崔教授和他的团队首次发现，单独使用超声波可以影响离子通道的活动，并可以找到新的非侵入性方法来控制特定细胞的活动。在他们的研究中，他们发现聚焦超声对流经离子通道的电流的平均调制率高达23%，这取决于通道和刺激强度。

徐老师点评

      该团队首次将超声诱导的加热效应和遗传学结合起来，提供直接证据显示哺乳动物大脑神经元的非侵入性、细胞类型特异性激活，并称之为声热遗传学。这也是首次发现超声-遗传学结合可以通过刺激大脑深处的特定靶点来有力地控制行为。