Sonogenetics的新领域使用声波来控制脑细胞的行为

Sonogenetics的新领域使用声波来控制脑细胞的行为
声波显示为振荡的发光。 natrot / Shutterstock.com

如果您不需要手术将起搏器植入有缺陷的心脏怎么办? 如果您可以在不注射胰岛素的情况下控制血糖水平,或者甚至不按下按钮就能减轻癫痫发作的情况怎么办?

我和一个科学家团队 我的实验室索尔克研究所 通过开发一种称为超声遗传学的新技术来应对这些挑战,这种技术能够使用声音无创地控制细胞的活动。

从光到声

我是神经科学家 有兴趣了解大脑如何检测环境变化并做出反应。 神经科学家一直在寻找影响活脑中神经元的方法,这样我们就可以分析结果并了解大脑的工作原理以及如何更好地治疗大脑疾病。

创建这些特定更改需要开发新工具。 在过去的二十年里,我所在领域的研究人员的工具一直是光遗传学,这是一种技术 动物的工程脑细胞受光控制。 该过程涉及将光纤插入动物大脑深处以将光传递到目标区域。

当这些神经细胞暴露在蓝光下时,光敏蛋白被激活,使这些脑细胞相互通信并改变动物的行为。 例如,患有帕金森病的动物可以 通过发光来治愈他们的不自主震颤 在经过特殊设计的脑细胞上,使它们对光敏感。 但明显的缺点是这个程序依赖于手术将电缆植入大脑 - 这种策略不容易转化为人。

我的目标是弄清楚如何在不使用光的情况下操纵大脑。

声音控制

我发现超声波 - 超出人类听觉范围的声波,非侵入性和安全性 - 是控制细胞的好方法。 由于声音是机械能的一种形式,我认为如果脑细胞可以制成机械敏感,那么我们可以用超声波修改它们。 这项研究使我们发现了这一研究 首先是天然蛋白质机械探测器 使脑细胞对超声敏感。


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我们的技术分两个阶段进行。 首先,我们使用病毒作为递送装置将新的遗传物质引入故障的脑细胞中。 这为这些细胞制备超声响应蛋白提供了指导。

下一步是从动物体外的装置发射超声脉冲,以使用声敏蛋白靶向细胞。 超声脉冲远程激活细胞。

Sonogenetics的新领域使用声波来控制脑细胞的行为
次声,听觉和超声波以及可以听到它们的动物的声音频率范围。 人们只能听到20 Hz和20,000 Hz之间的声音。 Designua / Shutterstock.com

蠕虫证明

我们是第一个展示如何的人 超声遗传学可用于激活神经元 在称为微观蠕虫 秀丽隐杆线虫.

利用遗传技术,我们发现了一种名为TRP-​​4的天然蛋白质 - 它存在于一些蠕虫的神经元中 - 对超声波压力变化很敏感。 在超声波范围内发生的声压波高于人类听觉的正常阈值。 一些动物,包括蝙蝠,鲸鱼甚至飞蛾,可以在这些超声波频率下进行通信,但我们实验中使用的频率超出了这些动物甚至可以检测到的频率。

我和我的团队证明了具有TRP-4蛋白的神经元对超声频率敏感。 这些频率的声波改变了蠕虫的行为。 我们遗传改变了蠕虫的两个302神经元并添加了TRP-4基因 我们从以前的研究中知道 涉及机械感觉。

我们展示了超声脉冲如何使蠕虫改变方向,就像我们使用蠕虫遥控器一样。 这些观察结果证明,我们可以使用超声波作为研究活体动物脑功能的工具,而不会将任何东西插入大脑。

向携带声敏蛋白的蠕虫发送超声波脉冲会导致其改变方向:

超声遗传学的优点

这一初步发现标志着一种新技术的诞生,该技术提供了如何通过声音激发细胞的见解。 此外,我相信我们的结果表明,超声遗传学可以应用于操纵各种细胞类型和细胞功能。

秀丽隐杆线虫 是开发这项技术的一个很好的起点,因为动物相对简单,只有302神经元。 其中,TRP-4仅存在于8个神经元中。 因此,我们可以通过首先向它们添加TRP-4来控制其他神经元,然后将超声波精确地导向这些特定的神经元。

但是,与蠕虫不同,人类没有TRP-4基因。 所以我的计划是将声敏蛋白引入我们想要控制的特定人体细胞。 这种方法的优点是超声波不会干扰人体内的任何其他细胞。

目前尚不清楚TRP-4以外的蛋白质是否对超声波敏感。 识别这些蛋白质(如果有的话)是我实验室和实地研究的一个领域。

关于超声遗传学最好的部分是它不需要大脑植入。 对于超声遗传学,我们使用人工工程病毒 - 无法复制 - 将遗传物质传递给脑细胞。 这允许细胞制造声音敏感蛋白质。 这种方法已经习惯了 将遗传物质传递给人体血液心肌细胞 在猪。

Sonogenetics虽然仍处于早期发展阶段,但它为各种运动相关疾病提供了一种新的治疗策略,包括帕金森病,癫痫和运动障碍。 在所有这些疾病中,某些脑细胞停止工作并阻止正常运动。 Sonogenetics可以让医生在特定的位置或时间打开或关闭脑细胞,并在没有脑部手术的情况下治疗这些运动障碍。

为此,大脑的目标区域需要感染携带声敏蛋白基因的病毒。 这已在小鼠中完成,但尚未在人类中完成。 基因治疗越来越好,越来越精确,我希望其他研究人员在我们准备好我们的超声技术时就会想出如何做到这一点。

扩展超声遗传学

我们已经收到了 实质性支持 推进这项技术,推动初步研究并建立一个跨学科团队。

有额外资金 来自国防高级研究计划局 ElectRx计划,我们可以专注于寻找可以帮助我们“关闭”神经元的蛋白质。 我们最近发现了可以被操纵以激活神经元的蛋白质(未发表的工作)。 这对于制定可用于治疗帕金森氏症等中枢神经系统疾病的治疗策略至关重要。

触摸含羞草植物的叶子会触发折叠反应,导致叶子闭合。 该植物对超声也很敏感,可引发相同的反应:

我们的团队也在努力扩展声发生技术。 我们现在已经观察到某些植物,例如“不要碰我”(含羞草pudica),对超声敏感。 就像已知这种植物的叶子在接触或摇动时塌陷并向内折叠一样,将超声波脉冲施加到隔离的分支上会产生相同的响应。 最后,我们正在开发一种不同的方法来测试超声是否可以影响代谢过程,例如胰腺细胞的胰岛素分泌。

Sonogenetics有朝一日可以规避药物治疗,消除对侵入性脑部外科手术的需求,并可用于从创伤后应激障碍和运动障碍到慢性疼痛等各种疾病。 超声遗传学的巨大潜力在于,该技术可用于控制几乎任何类型的细胞:从胰腺中的胰岛素生成细胞到心脏起搏。

我们希望,超声遗传学能够彻底改变神经科学和医学领域。

关于作者

Sreekanth Chalasani,分子神经生物学副教授(索尔克研究所)和神经生物学助理兼职教授, 加州圣地亚哥大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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