深圳先進(jìn)院超聲神經(jīng)調(diào)控的分子機(jī)理研究獲新進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院超聲神經(jīng)調(diào)控團(tuán)隊(duì)與香港理工大學(xué)孫雷教授課題組合作研究在離體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中證明了機(jī)械敏感通道Piezo1在超聲神經(jīng)調(diào)控中的重要作用。他們發(fā)現(xiàn)低頻低能量超聲可以打開Piezo1引起鈣離子內(nèi)流，從而觸發(fā)下游信號(hào)通路激活。研究成果以The mechanosensitive ion channel Piezo1 significantly mediates in vitro ultrasonic stimulation of neurons 為題，發(fā)表在Cell子刊iScience上（iScience 21, 448–457, 2019）。香港理工大學(xué)丘志海、郭景慧等為共同第一作者，鄭海榮和孫雷為共同通訊作者。
據(jù)悉，基于物理場(chǎng)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，如電、磁和光遺傳技術(shù)等是近年來推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)快速發(fā)展的重要?jiǎng)恿Γ橹委熌X疾病提供了新方法。基于超聲的無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，被認(rèn)為是最具有臨床轉(zhuǎn)化前景的下一代神經(jīng)調(diào)控技術(shù)之一，它具有無創(chuàng)、大穿透深度、高時(shí)空分布率等優(yōu)點(diǎn)。其調(diào)控效果在神經(jīng)元、線蟲、小鼠、非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物等多種尺度目標(biāo)上得到了驗(yàn)證，它可以調(diào)控深部腦區(qū)，如丘腦等神經(jīng)活動(dòng)，從而可能成為治療帕金森癥、癲癇、抑郁癥等腦疾病的治療方法。
然而，超聲神經(jīng)調(diào)控作用基礎(chǔ)機(jī)理尚未明確。其中最有可能的一種假設(shè)是超聲作為一種機(jī)械波，可能與神經(jīng)系統(tǒng)中的生物機(jī)械敏感單元，如機(jī)械敏感通道、細(xì)胞骨架等相互作用，從而將機(jī)械波能量轉(zhuǎn)為神經(jīng)電化學(xué)信號(hào)。其中考慮到已經(jīng)報(bào)道的超聲誘發(fā)的即時(shí)響應(yīng)速度，以及較低的超聲能量等，機(jī)械敏感通道被認(rèn)為很可能在其中起到重要作用。此前研究顯示，兆赫茲超聲波及其激勵(lì)微泡振動(dòng)的情況下可以在非神經(jīng)細(xì)胞等體系中打開一種生物機(jī)械敏感單元Piezo1。本文主要研究可以透過顱骨的低頻超聲（500kHz）是否可以打開Piezo1，并誘發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)。本文采用了不同的技術(shù)手段，對(duì)超聲的效果進(jìn)行檢測(cè)，得到了相互印證的結(jié)果。
本研究工作得到了國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)支持。
圖1 在293細(xì)胞上表達(dá)的Piezo1可以被低頻低強(qiáng)度超聲打開，引起顯著鈣內(nèi)流
圖2 低頻低強(qiáng)度超聲刺激可以引起神經(jīng)元鈣內(nèi)流和c-Fos 的激活，此效應(yīng)可以被Piezo1的抑制劑GsMTx-4 抑制
圖3 低頻低強(qiáng)度超聲可以引起一系列Piezo1依賴的下游信號(hào)通路激活
