實現基于機械敏感性離子通道的超聲神經調控

【資料簡介】

 

該項研究將超聲輻射力和機械敏感性離子通道結合起來，在神經元上通過超聲刺激激活機械敏感性離子通道，并進而控制神經元的興奮性。該成果開拓了超聲在腦科學研究中的新方向，為超聲遺傳學技術的進一步發展奠定了基礎，具有重要的理論意義和應用價值。

近來興起的光遺傳學技術，被稱為是21世紀神經科學領域引人注目的革新，在猴、鼠、果蠅、線蟲等模式生物中得到廣泛應用。其主要原理是采用基因操作技術將細菌的光敏感蛋白轉入到特定類型的神經元中進行表達，并通過不同波長的光照刺激光敏感蛋白，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。但是在哺乳動物中，光遺傳學技術需要通過顱骨手術將特定波長的光線引入腦中，這種創傷性為其在活體的應用帶來一定的局限。因此，越來越多的研究人員將目光轉向無損傷的方法，比如通過超聲，可以無損傷地穿透深入大腦或其他組織內部，并且可以通過聚焦獲得定位。

由于細胞對超聲的響應能力有限，為了達到通過超聲控制神經元的目的，需要找到一種介質既可以很好地響應超聲刺激，又可以在神經元表達并賦予神經元靈敏的超聲敏感性。考慮到超聲的機械效應，機械敏感性離子通道是一個很好的選擇。機械敏感性離子通道是近年來發現的一種新型離子通道，有別于傳統的電壓敏感，以及配體門控類型的離子通道，它感受細胞形變等方式導致的膜張力的變化而開放，引起細胞內外離子的跨膜運輸，參與介導眾多的生命活動，其功能愈來愈受到重視。李月舟課題組以來致力于機械敏感性離子通道開放機制和功能研究，鄭海榮課題組掌握了*的超聲輻射力神經調控技術，在超聲神經調控儀器研制方面積累了豐富的經驗，兩者的合作促成了該項研究。

實驗中，課題組選擇了來自細菌的機械敏感性離子通道MscL。MscL具有作為納米開關的天然優勢。它結構簡單，只有136個氨基酸，容易在真核生物表達；它自身可以直接被膜張力所激活，并且不需要其它成分的參與；它開放形成30埃左右的巨大孔徑，通透效率高；它不和其它蛋白相互作用，不會干擾細胞的其它功能。課題組首先構建了重組MscL基因的病毒，然后通過病毒感染在原代培養的大鼠神經元中表達MscL通道。結果表明MscL可以在神經元上功能性表達，并對機械刺激保持敏感（圖2）。

在基金委重大科研儀器支持下，鄭海榮課題組設計開發了一系列跨尺度超聲神經調控工具（圖3）。超聲輻射力神經刺激芯設計基于不同主頻叉指換能器指條寬度、形狀、對數和聲孔徑尺寸，通過標準微納加工技術光刻，濺射叉指換能器電極，制備微型聲場可調超聲神經刺激芯片，產生高強度局域聲場及超聲輻射力可有效作用于神經元細胞。該芯片可與鈣成像、膜片鉗等生物學手段相兼容，實時監測超聲誘發的生物效應，為超聲神經調控治療神經類疾病提供基礎和理論依據。同時研制的動物超聲神經刺激系統可對深部腦核團和神經環路開展、動態和網絡式的神經刺激與調控。該技術和工具的研制可在腦疾病的研究、神經科學基礎研究及其相關領域科學廣泛應用。該研究結果為后續的活體超聲遺傳學奠定了基礎，并有望通過進一步開發的多面陣、多焦點的深部腦刺激超聲調控儀器解析神經環路，并對帕金森癥、抑郁癥等腦疾病提供新的研究，甚至是治療的有效新工具。