Sonogenetics的新領域使用聲波來控制腦細胞的行為

Sonogenetics的新領域使用聲波來控制腦細胞的行為
聲波顯示為振蕩的發光。 natrot / Shutterstock.com

如果您不需要手術將起搏器植入有缺陷的心臟怎麼辦? 如果您可以在不注射胰島素的情況下控制血糖水平,或者甚至不按下按鈕就能減輕癲癇發作的情況怎麼辦?

我和一個科學家團隊 我的實驗室索爾克研究所 通過開發一種稱為超聲遺傳學的新技術來應對這些挑戰,這種技術能夠使用聲音無創地控制細胞的活動。

從光到聲

我是神經科學家 有興趣了解大腦如何檢測環境變化並做出反應。 神經科學家一直在尋找影響活腦中神經元的方法,這樣我們就可以分析結果並了解大腦的工作原理以及如何更好地治療大腦疾病。

創建這些特定更改需要開發新工具。 在過去的二十年裡,我所在領域的研究人員的工具一直是光遺傳學,這是一種技術 動物的工程腦細胞受光控制。 該過程涉及將光纖插入動物大腦深處以將光傳遞到目標區域。


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當這些神經細胞暴露在藍光下時,光敏蛋白被激活,使這些腦細胞相互通信並改變動物的行為。 例如,患有帕金森病的動物可以 通過發光來治愈他們的不自主震顫 在經過特殊設計的腦細胞上,使它們對光敏感。 但明顯的缺點是這個程序依賴於手術將電纜植入大腦 - 這種策略不容易轉化為人。

我的目標是弄清楚如何在不使用光的情況下操縱大腦。

聲音控制

我發現超聲波 - 超出人類聽覺範圍的聲波,非侵入性和安全性 - 是控制細胞的好方法。 由於聲音是機械能的一種形式,我認為如果腦細胞可以製成機械敏感,那麼我們可以用超聲波修改它們。 這項研究使我們發現了這一研究 首先是天然蛋白質機械探測器 使腦細胞對超聲敏感。

我們的技術分兩個階段進行。 首先,我們使用病毒作為遞送裝置將新的遺傳物質引入故障的腦細胞中。 這為這些細胞製備超聲響應蛋白提供了指導。

下一步是從動物體外的裝置發射超聲脈衝,以使用聲敏蛋白靶向細胞。 超聲脈衝遠程激活細胞。

Sonogenetics的新領域使用聲波來控制腦細胞的行為
次聲,聽覺和超聲波以及可以聽到它們的動物的聲音頻率範圍。 人們只能聽到20 Hz和20,000 Hz之間的聲音。 Designua / Shutterstock.com

蠕蟲證明

我們是第一個展示如何的人 超聲遺傳學可用於激活神經元 在稱為微觀蠕蟲 秀麗隱桿線蟲.

利用遺傳技術,我們發現了一種名為TRP-4的天然蛋白質 - 它存在於一些蠕蟲的神經元中 - 對超聲波壓力變化很敏感。 在超聲波範圍內發生的聲壓波高於人類聽覺的正常閾值。 一些動物,包括蝙蝠,鯨魚甚至飛蛾,可以在這些超聲波頻率下進行通信,但我們實驗中使用的頻率超出了這些動物甚至可以檢測到的頻率。

我和我的團隊證明了具有TRP-4蛋白的神經元對超聲頻率敏感。 這些頻率的聲波改變了蠕蟲的行為。 我們遺傳改變了蠕蟲的兩個302神經元並添加了TRP-4基因 我們從以前的研究中知道 涉及機械感覺。

我們展示了超聲脈衝如何使蠕蟲改變方向,就像我們使用蠕蟲遙控器一樣。 這些觀察結果證明,我們可以使用超聲波作為研究活體動物腦功能的工具,而不會將任何東西插入大腦。

向攜帶聲敏蛋白的蠕蟲發送超聲波脈衝會導致其改變方向:

超聲遺傳學的優點

這一初步發現標誌著一種新技術的誕生,該技術提供瞭如何通過聲音激發細胞的見解。 此外,我相信我們的結果表明,超聲遺傳學可以應用於操縱各種細胞類型和細胞功能。

秀麗隱桿線蟲 是開發這項技術的一個很好的起點,因為動物相對簡單,只有302神經元。 其中,TRP-4僅存在於8個神經元中。 因此,我們可以通過首先向它們添加TRP-4來控制其他神經元,然後將超聲波精確地導向這些特定的神經元。

但是,與蠕蟲不同,人類沒有TRP-4基因。 所以我的計劃是將聲敏蛋白引入我們想要控制的特定人體細胞。 這種方法的優點是超聲波不會干擾人體內的任何其他細胞。

目前尚不清楚TRP-4以外的蛋白質是否對超聲波敏感。 識別這些蛋白質(如果有的話)是我實驗室和實地研究的一個領域。

關於超聲遺傳學最好的部分是它不需要大腦植入。 對於超聲遺傳學,我們使用人工工程病毒 - 無法複製 - 將遺傳物質傳遞給腦細胞。 這允許細胞製造聲音敏感蛋白質。 這種方法已經習慣了 將遺傳物質傳遞給人體血液心肌細胞 在豬。

Sonogenetics雖然仍處於早期發展階段,但它為各種運動相關疾病提供了一種新的治療策略,包括帕金森病,癲癇和運動障礙。 在所有這些疾病中,某些腦細胞停止工作並阻止正常運動。 Sonogenetics可以讓醫生在特定的位置或時間打開或關閉腦細胞,並在沒有腦部手術的情況下治療這些運動障礙。

為此,大腦的目標區域需要感染攜帶聲敏蛋白基因的病毒。 這已在小鼠中完成,但尚未在人類中完成。 基因治療越來越好,越來越精確,我希望其他研究人員在我們準備好我們的超聲技術時就會想出如何做到這一點。

擴展超聲遺傳學

我們已經收到了 實質性支持 推進這項技術,推動初步研究並建立一個跨學科團隊。

有額外資金 來自國防高級研究計劃局 ElectRx計劃,我們可以專注於尋找可以幫助我們“關閉”神經元的蛋白質。 我們最近發現了可以被操縱以激活神經元的蛋白質(未發表的工作)。 這對於製定可用於治療帕金森氏症等中樞神經系統疾病的治療策略至關重要。

觸摸含羞草植物的葉子會觸發折疊反應,導致葉子閉合。 該植物對超聲也很敏感,可引發相同的反應:

我們的團隊也在努力擴展聲發生技術。 我們現在已經觀察到某些植物,例如“不要碰我”(含羞草pudica),對超聲敏感。 就像已知這種植物的葉子在接觸或搖動時塌陷並向內折疊一樣,將超聲波脈衝施加到隔離的分支上會產生相同的響應。 最後,我們正在開發一種不同的方法來測試超聲是否可以影響代謝過程,例如胰腺細胞的胰島素分泌。

Sonogenetics有朝一日可以規避藥物治療,消除對侵入性腦部外科手術的需求,並可用於從創傷後應激障礙和運動障礙到慢性疼痛等各種疾病。 超聲遺傳學的巨大潛力在於,該技術可用於控制幾乎任何類型的細胞:從胰腺中的胰島素生成細胞到心臟起搏。

我們希望,超聲遺傳學能夠徹底改變神經科學和醫學領域。

關於作者

Sreekanth Chalasani,分子神經生物學副教授(索爾克研究所)和神經生物學助理兼職教授, 加州聖地亞哥大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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