新工具通过结合超声波和遗传学来激活脑深部神经元

该团队由麦凯维工程学院生物医学工程助理教授和医学院放射肿瘤学助理教授陈红领导，首次提供直接证据，通过结合超声诱导的热效应和遗传学，显示哺乳动物大脑中神经元的非侵入性，细胞类型特异性激活，他们将其命名为声温遗传学。这也是第一个表明超声-遗传学结合可以通过刺激大脑深处的特定目标来强有力地控制行为的工作。

这项为期三年的研究部分由美国国立卫生研究院的“大脑计划”资助，研究结果于《柳叶刀》杂志在线发表脑刺激2021年5月11日。

资深研究团队包括来自麦凯维工程学院和医学院的各自领域的知名专家，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Mark J. Miller;迈克尔·布鲁查斯(Michael Bruchas)曾就职于华盛顿大学，现为华盛顿大学麻醉学和药理学教授。

陈说:“我们的工作提供了证据，证明声温遗传学在自由运动的小鼠中引起行为反应，同时针对大脑深部部位。”“Sonothermogenetics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和他的团队将含有TRPV1离子通道的病毒结构传递到遗传选择的神经元。然后，他们通过一种可穿戴设备，通过低强度聚焦超声向大脑中选定的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，该通道起到开关的作用，打开或关闭神经元。

该论文的第一作者、生物医学工程研究生杨耀恒说:“我们可以移动戴在自由活动小鼠头上的超声波设备，以瞄准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展到大型动物和人类身上。”

这项工作建立在崔的实验室进行的研究基础上，该研究发表在科学报告在2016年。崔和他的团队第一次发现超声波本身就可以影响离子通道的活性，并可能导致新的和非侵入性的方法来控制特定细胞的活性。在他们的研究中，他们发现聚焦的超声波对流经离子通道的电流的平均调节幅度高达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，而不是热敏的。

这项工作还建立在光遗传学的概念上，结合了光敏离子通道的靶向表达和光的精确传递来刺激大脑深处的神经元。虽然光遗传学增加了新的神经回路的发现，但由于光散射，它在穿透深度上受到限制，并且需要手术植入光纤。

陈说，Sonothermogenetics有望以毫米级分辨率瞄准小鼠大脑的任何位置，而不会对大脑造成任何损伤。她和团队继续优化这项技术，并进一步验证他们的发现。