Неврологические расстройства, такие как болезнь Паркинсона и эпилепсия, имели некоторый успех в лечении с помощью глубокой стимуляции мозга, но они требуют имплантации хирургического устройства. Многопрофильная команда из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработала новую технику стимуляции мозга с использованием сфокусированного ультразвука, который может включать и выключать определенные типы нейронов в головном мозге и точно контролировать двигательную активность без имплантации хирургического устройства.
Команда, возглавляемая Хонг Ченом, доцентом кафедры биомедицинской инженерии инженерной школы МакКелви и радиационной онкологии Медицинской школы, первой предоставила прямые доказательства неинвазивной клеточно-специфической активации нейронов в головном мозге. млекопитающих, объединив эффект нагрева, вызванный ультразвуком, и генетику, которую они назвали сонотермогенетикой. Это также первая работа, показывающая, что комбинация ультразвука и генетики может надежно контролировать поведение, стимулируя конкретную цель глубоко в мозгу.
Результаты трехлетнего исследования, которое частично финансировалось Инициативой BRAIN Национальных институтов здравоохранения, были опубликованы в Интернете в журнале Brain Stimulation 11 мая 2021 года.
В состав старшей исследовательской группы входили эксперты инженерной школы МакКелви и медицинской школы, в том числе Цзяньминь Цуй, профессор биомедицинской инженерии; Джозеф П. Калвер, профессор радиологии, физики и биомедицинской инженерии; Марк Дж. Миллер, доцент кафедры инфекционных болезней медицинского факультета; и Майкл Брухас, бывший сотрудник Вашингтонского университета, ныне профессор анестезиологии и фармакологии Вашингтонского университета.
«Наша работа предоставила доказательства того, что сонотермогенетика вызывает поведенческие реакции у свободно движущихся мышей, поражая глубокие участки мозга», — сказал Чен. «Сонотермогенетика может изменить наши подходы к исследованиям в области нейробиологии и открыть новые методы понимания и лечения заболеваний мозга человека».
Используя модель мыши, Чен и его команда доставили вирусную конструкцию, содержащую ионные каналы TRPV1, к генетически отобранным нейронам. Затем они доставили небольшой выброс тепла с помощью сфокусированного ультразвука низкой интенсивности к избранным нейронам мозга через носимое устройство. Тепло, всего на несколько градусов выше температуры тела, активировало ионный канал TRPV1, который действовал как переключатель, включающий или выключающий нейроны.
«Мы можем перемещать ультразвуковое устройство, которое носят на голове свободно движущихся мышей, для нацеливания на различные участки всего мозга», — сказал Яохэн Ян, первый автор статьи и аспирант в области биомедицинской инженерии. «Поскольку этот метод неинвазивен, он может быть применен в будущем к крупным животным и, возможно, людям».
Работа основана на исследованиях, проведенных в лаборатории Куи, которые были опубликованы в Scientific Reports в 2016 году. Куи и его команда впервые обнаружили, что только ультразвук может влиять на активность ионных каналов и может привести к новым и неинвазивным способам контроля активности конкретных клеток. . В своей работе они обнаружили, что сфокусированный ультразвук модулирует токи, протекающие через ионные каналы, в среднем до 23%, в зависимости от канала и интенсивности стимула. После этой работы исследователи обнаружили около 10 ионных каналов с такой способностью, но все они механочувствительны, а не термочувствительны.
Работа также основана на концепции оптогенетики, комбинации направленной экспрессии светочувствительных ионных каналов и точной доставки света для стимуляции нейронов глубоко в головном мозге. В то время как оптогенетика увеличила количество открытий новых нейронных цепей, она ограничена по глубине проникновения из-за рассеяния света и требует хирургической имплантации оптических волокон.
По словам Чена, Sonothermogenetics обещает воздействовать на любую точку мозга мыши с разрешением до миллиметра, не нанося никакого вреда мозгу. Она и команда продолжают оптимизировать методику и дополнительно проверять свои выводы.
