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二號站登錄測速使用聚焦超聲的腦刺激技術,無需手術就能開關大腦中特定類型的神經元

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帕金森氏病和癲癇等神經系統疾病在深部腦刺激治療方面取得了一些成功,但那些需要手術裝置植入。

圣路易斯華盛頓大學的一個多學科團隊開發了一種使用聚焦超聲的新腦刺激技術,該技術能夠打開和關閉大腦中特定類型的神經元,并精確控制運動活動,而無需植入手術設備。

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該團隊由麥凱維工程學院生物醫學工程助理教授和醫學院放射腫瘤學助理教授 Hong Chen 領導,他們是第一個提供直接證據顯示大腦中神經元的非侵入性、細胞類型特異性激活的團隊通過結合超聲波誘導的加熱效應和遺傳學,他們將二號站登陸測速鏈接命名為聲熱遺傳學。這也是第一項表明超聲-遺傳學組合可以通過刺激大腦深處的特定目標來有力地控制行為的工作。

由美國國立衛生研究院 BRAIN 計劃部分資助的三年研究結果于2021 年 5 月 11 日在線發表在Brain Stimulation 上。

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高級研究團隊包括來自麥凱維工程學院和醫學院的專家,包括生物醫學工程教授崔建民;Joseph P. Culver,放射學、物理學和生物醫學工程教授;醫學系傳染病科醫學副教授Mark J. Miller;和邁克爾布魯查斯,前華盛頓大學,現在華盛頓大學麻醉學和藥理學教授。

研究證明,超聲致遺傳學可以激發自由移動的小鼠的行為反應,同時靶向大腦的深處。聲熱遺傳學有可能改變人們的神經科學研究方法,并發現理解和治療人類大腦疾病的新方法。

使用小鼠模型,Chen 和團隊將含有 TRPV1 離子通道的病毒構建體傳遞給基因選擇的神經元。然后,他們通過可穿戴設備通過低強度聚焦超聲向大腦中的選定神經元傳遞少量熱量。僅比體溫高幾度的熱量激活了 TRPV1 離子通道,該通道充當打開或關閉神經元的開關。

現在可以將佩戴在自由活動小鼠頭部的超聲波設備移動到整個大腦的不同位置,因為它是非侵入性的,這項技術有可能在未來擴大到大型動物和潛在的人類身上。

這項工作建立在崔的實驗室進行的研究的基礎上,該研究于 2016 年發表在《科學報告》上。崔和他的團隊首次發現單獨的超聲波可以影響離子通道活動,并可能導致新的無創方法來控制特定細胞的活動. 在他們的工作中,他們發現聚焦超聲將流經離子通道的電流平均調節高達 23%,具體取決于通道和刺激強度。

在這項工作之后,研究人員發現了接近 10 個具有這種能力的離子通道,但它們都是機械敏感的,而不是熱敏的。

這項工作2號站線路測速建立在光遺傳學的概念之上,將光敏離子通道的靶向表達與光的精確傳遞相結合,以刺激大腦深處的神經元。雖然光遺傳學增加了對新神經回路的發現,但由于光散射,它的穿透深度有限,并且需要手術植入光纖。

聲熱遺傳學有望以毫米級分辨率瞄準小鼠大腦中的任何位置,而不會對大腦造成任何損害。


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