超聲神經調控的分子機理研究獲進展

2021-01-15 中國科學院
超聲神經調控的分子機理研究獲進展

2019-12-19 深圳先進技術研究院

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語音播報

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院超聲神經調控團隊與香港理工大學教授孫雷課題組合作，在離體細胞實驗中證明了機械敏感通道Piezo1在超聲神經調控中的重要作用。他們發現低頻低能量超聲可以打開Piezo1引起鈣離子內流，從而觸發下遊信號通路激活。研究成果以The mechanosensitive ion channel Piezo1 significantly mediates in vitro ultrasonic stimulation of neurons 為題，發表在iScience上（iScience 21, 448–457, 2019）。香港理工大學丘志海、郭景慧等為共同第一作者，鄭海榮和孫雷為共同通訊作者。

　　據悉，基於物理場的神經調控技術，如電、磁和光遺傳技術等是近年來推動神經科學快速發展的重要動力，並為治療腦疾病提供了新方法。基於超聲的無創神經調控技術，被認為是最具有臨床轉化前景的下一代神經調控技術之一，它具有無創、大穿透深度、高時空分布率等優點。其調控效果在神經元、線蟲、小鼠、非人靈長類動物等多種尺度目標上得到了驗證。它可以調控深部腦區，如丘腦等神經活動，從而成為可能治療帕金森症、癲癇、抑鬱症等腦疾病的治療方法。

　　然而，超聲神經調控作用基礎機理尚未明確。其中最有可能的一種假設是超聲作為一種機械波，可能與神經系統中的生物機械敏感單元，如機械敏感通道、細胞骨架等相互作用，從而將機械波能量轉為神經電化學信號。其中考慮到已經報導的超聲誘發的即時響應速度，以及較低的超聲能量等，機械敏感通道被認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微泡振動的情況下可以在非神經細胞等體系中打開一種生物機械敏感單元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，並誘發神經元活動。該研究採用了不同的技術手段，對超聲的效果進行檢測，得到了相互印證的結果。

　　該研究工作得到國家重大科研儀器設備研製專項支持。

　　論文連結

　　圖1 在293細胞上表達的Piezo1可以被低頻低強度超聲打開，引起顯著鈣內流。E) 驗證293細胞上Piezo1的功能性過表達；F）在超聲刺激下，Piezo1過表達的293細胞具有顯著的鈣離子內流

　　圖2 低頻低強度超聲刺激可以引起神經元鈣內流和c-Fos 的激活，此效應可以被Piezo1的抑制劑GsMTx-4抑制；在超聲刺激下，原代培養神經元會對其產生響應，引發鈣離子內流以及下遊信號通路激活，可以引發c-Fos表達，此效果可以被GsMT-4抑制

　　圖3 低頻低強度超聲可以引起一系列Piezo1依賴的下遊信號通路激活。神經元細胞系CLU199具有功能性表達Piezo1，在超聲刺激下c-Fos, p-CamKII, p-CREB明顯上調，Piezo1敲低細胞對超聲的敏感度顯著低於正常細胞系


　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院超聲神經調控團隊與香港理工大學教授孫雷課題組合作，在離體細胞實驗中證明了機械敏感通道Piezo1在超聲神經調控中的重要作用。他們發現低頻低能量超聲可以打開Piezo1引起鈣離子內流，從而觸發下遊信號通路激活。研究成果以The mechanosensitive ion channel Piezo1 significantly mediates in vitro ultrasonic stimulation of neurons 為題，發表在iScience上（iScience 21, 448–457, 2019）。香港理工大學丘志海、郭景慧等為共同第一作者，鄭海榮和孫雷為共同通訊作者。
　　據悉，基於物理場的神經調控技術，如電、磁和光遺傳技術等是近年來推動神經科學快速發展的重要動力，並為治療腦疾病提供了新方法。基於超聲的無創神經調控技術，被認為是最具有臨床轉化前景的下一代神經調控技術之一，它具有無創、大穿透深度、高時空分布率等優點。其調控效果在神經元、線蟲、小鼠、非人靈長類動物等多種尺度目標上得到了驗證。它可以調控深部腦區，如丘腦等神經活動，從而成為可能治療帕金森症、癲癇、抑鬱症等腦疾病的治療方法。
　　然而，超聲神經調控作用基礎機理尚未明確。其中最有可能的一種假設是超聲作為一種機械波，可能與神經系統中的生物機械敏感單元，如機械敏感通道、細胞骨架等相互作用，從而將機械波能量轉為神經電化學信號。其中考慮到已經報導的超聲誘發的即時響應速度，以及較低的超聲能量等，機械敏感通道被認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微泡振動的情況下可以在非神經細胞等體系中打開一種生物機械敏感單元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，並誘發神經元活動。該研究採用了不同的技術手段，對超聲的效果進行檢測，得到了相互印證的結果。
　　該研究工作得到國家重大科研儀器設備研製專項支持。
　　論文連結
　　圖1 在293細胞上表達的Piezo1可以被低頻低強度超聲打開，引起顯著鈣內流。E) 驗證293細胞上Piezo1的功能性過表達；F）在超聲刺激下，Piezo1過表達的293細胞具有顯著的鈣離子內流
　　圖2 低頻低強度超聲刺激可以引起神經元鈣內流和c-Fos 的激活，此效應可以被Piezo1的抑制劑GsMTx-4抑制；在超聲刺激下，原代培養神經元會對其產生響應，引發鈣離子內流以及下遊信號通路激活，可以引發c-Fos表達，此效果可以被GsMT-4抑制
　　圖3 低頻低強度超聲可以引起一系列Piezo1依賴的下遊信號通路激活。神經元細胞系CLU199具有功能性表達Piezo1，在超聲刺激下c-Fos, p-CamKII, p-CREB明顯上調，Piezo1敲低細胞對超聲的敏感度顯著低於正常細胞系
　　

列印 責任編輯：葉瑞優

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