科学家利用新工具结合超声、遗传学激活深部脑神经元

神经疾病，如帕金森病和癫痫已经取得了一些治疗成功的深部脑刺激，但这些需要手术装置植入。圣路易斯华盛顿大学的一个多学科研究小组开发了一种新的脑刺激技术，该技术利用聚焦超声，能够启动和关闭大脑中特定类型的神经元，并在不植入手术装置的情况下精确控制运动活动。

该小组由麦凯尔维工程学院生物医学工程助理教授洪晨领导，医学学院放射肿瘤学助理教授是第一个提供直接证据显示哺乳动物大脑中神经元非侵入性、细胞型特异性激活的研究小组，他们将超声波诱导的加热效应与遗传学相结合，并将其命名为“声热遗传学”。这也是第一次证明超声波-遗传学组合可以通过刺激大脑深处的特定目标来有力地控制行为。

这项由美国国立卫生研究院(NationalInstituteofHealth‘sBrainInitiative)资助的三年研究成果在网上公布

脑刺激

2021年5月11日

高级研究小组包括来自麦凯尔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；放射学、物理学和生物医学工程教授约瑟夫·P·卡尔弗；医学系传染病科医学副教授马克·J·米勒；华盛顿大学前麻醉学和药理学教授迈克尔·布鲁加斯。

陈说：“我们的研究提供了证据，证明声波遗传学能够在自由移动的老鼠身上激发行为反应，同时瞄准深部的大脑部位。”“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。”

利用小鼠模型，Chen和研究小组将含有TRPV 1离子通道的病毒结构交付给遗传选择的神经元。然后，他们通过低强度聚焦超声将少量的热量通过可穿戴设备传递给大脑中特定的神经元。热，只比体温高几度，激活了TRPV 1离子通道，作为开关打开或关闭神经元。

这篇论文的第一作者、生物医学工程研究生杨耀恒说：“我们可以把戴在自由移动的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。”

这项工作是建立在崔的实验室进行的研究的基础上的，该研究于2016年发表在“科学报告”上。崔和他的团队第一次发现，超声波单独可以影响离子通道的活动，并可能导致新的和非侵入性的方法来控制特定细胞的活动。在他们的工作中，他们发现聚焦超声通过离子通道的电流平均调制高达23%，这取决于通道和刺激强度。在这项工作之后，研究人员发现了近10个具有这种能力的离子通道，但它们都是机械敏感的，而不是温敏的。

这项工作还建立在光遗传学的概念、光敏离子通道的靶向表达和精确传递光刺激脑深部神经元的结合上。虽然光遗传学已经增加了新神经电路的发现，但由于光散射，它在穿透深度上受到限制，需要手术植入光纤。

他说，声异遗传学有希望以毫米波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。她和团队继续优化这项技术，并进一步验证他们的发现。