未來(lái)或?qū)崿F(xiàn)“聲控”人腦？超聲波首次成功控制小鼠腦細(xì)胞

近日，有研究人員成功改造了活體小鼠的神經(jīng)元，使其能夠?qū)Τ暡ㄗ龀龇磻?yīng)，從而使它們能夠激活動(dòng)物運(yùn)動(dòng)皮層中的細(xì)胞，并控制它們腿部的運(yùn)動(dòng)。研究者解釋道，他們的技術(shù)也適用于培養(yǎng)皿中的人體細(xì)胞，并且有朝一日，可能會(huì)促進(jìn)非侵入性起搏器和深部腦刺激傳遞系統(tǒng)的發(fā)展。

幾年前，這項(xiàng)研究的作者Sreekanth Chalasani和他在索爾克研究所（Salk Institute）的同事合作，首次開(kāi)發(fā)了使用超聲波激活細(xì)胞的超聲遺傳學(xué)。在2015年的一篇論文中，該團(tuán)隊(duì)揭示了一種名為T(mén)RP-4的蛋白質(zhì)——它通過(guò)調(diào)節(jié)帶電離子在細(xì)胞膜上的運(yùn)動(dòng)，來(lái)控制細(xì)胞的活化——對(duì)超聲波產(chǎn)生反應(yīng)。

因此，他們?cè)O(shè)計(jì)了蛔蟲(chóng)細(xì)胞以包含TRP-4，并發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)能夠使用超聲波手動(dòng)激活這些細(xì)胞。然而，當(dāng)研究人員使用哺乳動(dòng)物細(xì)胞重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，卻無(wú)法產(chǎn)生相同的結(jié)果。

而這次的新研究中，研究者著手確定可用于超聲波激活哺乳動(dòng)物細(xì)胞的類(lèi)似蛋白質(zhì)。為此，他們對(duì)人類(lèi)胚胎腎(HEK)細(xì)胞進(jìn)行了基因改造，使其表達(dá)一系列不同的蛋白質(zhì)，然后再將它們暴露于超聲波脈沖中。

在測(cè)試了總共191種不同的候選蛋白質(zhì)后，研究作者指出，一種名為T(mén)RPA1的化合物，始終能引起細(xì)胞對(duì)超聲波的反應(yīng)。TRPA1有時(shí)被稱(chēng)為芥末受體（Wasabi receptor），與TRP-4相似，因?yàn)樗且环N通道蛋白，這意味著它通過(guò)允許鈣離子穿過(guò)細(xì)胞膜而在細(xì)胞活化中發(fā)揮作用。

在人類(lèi)中，TRPA1通常會(huì)對(duì)疼痛、熱和刺激物做出反應(yīng)，引發(fā)咳嗽或流淚等反應(yīng)。當(dāng)表達(dá)這種蛋白質(zhì)的HEK細(xì)胞暴露于超聲波時(shí)，研究人員檢測(cè)到鈣離子通過(guò)通道流入，表明細(xì)胞活化。

為了深入研究，研究者對(duì)小鼠進(jìn)行了基因改造，以在其運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)元中表達(dá)TRPA1。用超聲波脈沖這些嚙齒動(dòng)物，可以使它們移動(dòng)右前肢和后肢，盡管左肢的運(yùn)動(dòng)發(fā)生的頻率較低。

與此同時(shí)，研究人員在嚙齒動(dòng)物的聲學(xué)改變腦細(xì)胞中檢測(cè)到一種稱(chēng)為c-fos蛋白質(zhì)（這是神經(jīng)元活動(dòng)的標(biāo)志物）的增加，證實(shí)這些肢體運(yùn)動(dòng)確實(shí)是由超聲波誘導(dǎo)的這些神經(jīng)元。

研究者表示，目前已知超聲波是安全的，它可以穿過(guò)骨骼、肌肉和其他組織，使其成為操縱身體深處細(xì)胞的終極工具。

題為Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels的相關(guān)研究論文發(fā)表在《自然-通訊》上。

前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人APP資訊組

論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28205-y

標(biāo)簽： 超聲波 腦細(xì)胞