Jest to pierwsza praca, która pokazuje, że sonotermogenetyka (sonothermogenetics) może kontrolować zachowanie poprzez stymulację określonego celu głęboko w mózgu.
W chorobach neurologicznych, takich jak choroba Parkinsona i epilepsja, pewien sukces odniosło leczenie dzięki głębokiej stymulacji mózgu, ale wymagane jest wszczepienia urządzenia chirurgicznego. Multidyscyplinarny zespół z Washington University w St. Louis opracował nową technikę stymulacji mózgu za pomocą skoncentrowanych ultradźwięków, która jest w stanie włączać i wyłączać określone typy neuronów w mózgu oraz precyzyjnie kontrolować aktywność motoryczną bez wszczepiania urządzenia chirurgicznego.
Zespół kierowany przez Hong Chen, adiunkta inżynierii biomedycznej w McKelvey School of Engineering i radioterapii onkologicznej w School of Medicine, jako pierwszy dostarczył bezpośrednie dowody wskazujące na nieinwazyjną, specyficzną dla typu komórki aktywację neuronów w mózgu ssaka, łącząc efekt ogrzewania wywołanego ultradźwiękami i genetykę, którą nazwali sonotermogenetyką. Jest to również pierwsza praca pokazująca, że kombinacja ultradźwięków i genetyki może silnie kontrolować zachowanie poprzez stymulację określonego celu głęboko w mózgu.
W skład starszego zespołu badawczego wchodzili eksperci zarówno z McKelvey School of Engineering, jak i School of Medicine, w tym Jianmin Cui, profesor inżynierii biomedycznej; Joseph P. Culver, profesor radiologii, fizyki i inżynierii biomedycznej; Mark J. Miller, profesor nadzwyczajny medycyny w Oddziale Chorób Zakaźnych Wydziału Lekarskiego; oraz Michael Bruchas, dawniej Washington University, obecnie profesor anestezjologii i farmakologii na University of Washington.
„Nasza praca dostarczyła dowodów na to, że sonotermogenetyka wywołuje reakcje behawioralne u swobodnie poruszających się myszy, celując w głębokie obszary mózgu” – powiedział Chen. „Sonotermogenetyka ma potencjał, aby zmienić nasze podejście do badań neuronauki i odkryć nowe metody zrozumienia i leczenia zaburzeń ludzkiego mózgu”.
Korzystając z modelu mysiego, Chen i zespół dostarczyli konstrukt wirusowy zawierający kanały jonowe TRPV1 do genetycznie wybranych neuronów. Następnie dostarczyli niewielki impuls ciepła za pośrednictwem skupionego ultradźwięków o niskiej intensywności do wybranych neuronów w mózgu za pośrednictwem urządzenia. Ciepło, tylko o kilka stopni wyższe niż temperatura ciała, aktywowało kanał jonowy TRPV1, który działał jako przełącznik włączający lub wyłączający neurony.
„Możemy przenosić urządzenie ultradźwiękowe noszone na głowie swobodnie poruszającej się myszy, aby celować w różne miejsca w całym mózgu” – powiedział Yaoheng Yang, pierwszy autor artykułu i absolwent inżynierii biomedycznej. „Ponieważ jest nieinwazyjna, technika ta może być w przyszłości skalowana do dużych zwierząt i potencjalnie ludzi”.
Praca opiera się na badaniach przeprowadzonych w laboratorium Cui, które zostały opublikowane w Scientific Reports w 2016 r. Cui i jego zespół po raz pierwszy odkryli, że same ultradźwięki mogą wpływać na aktywność kanałów jonowych i mogą prowadzić do nowych i nieinwazyjnych sposobów kontrolowania aktywności określonych komórek . W swojej pracy odkryli, że skupione ultradźwięki modulują prądy płynące przez kanały jonowe średnio o 23%, w zależności od intensywności kanału i bodźca. W wyniku tych prac naukowcy odkryli blisko 10 kanałów jonowych o tej zdolności, ale wszystkie z nich są mechanowrażliwe, a nie termoczułe.
Prace opierają się również na koncepcji optogenetyki, połączeniu ukierunkowanej ekspresji wrażliwych na światło kanałów jonowych i precyzyjnego dostarczania światła w celu stymulowania neuronów w głębi mózgu. Podczas gdy optogenetyka zwiększyła liczbę odkryć nowych obwodów neuronowych, głębokość penetracji jest ograniczona z powodu rozpraszania światła i wymaga chirurgicznego wszczepienia włókien światłowodowych.
Sonotermogenetyka może być stosowana w dowolnym miejscu w mózgu myszy z rozdzielczością rzędu milimetra, bez powodowania jakichkolwiek uszkodzeń mózgu, powiedziała Chen. Ona i zespół nadal optymalizują technikę i dalej walidują swoje odkrycia.
