Cell Reports：孙雷组开发超声遗传学技术

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近年来神经科学取得了令人瞩目的进展，其中光遗传学在解构神经环路中起到了重大的推动作用。光遗传学的基本原理是，将光敏感通道蛋白选择性地表达在特定的神经元中，然后通过特定波长的光照实现神经元活动的快速控制。自从诞生以来，光遗传已经被应用于方方面面。不过光遗传学主要有两个方面的不足：1）可见光在颅骨和脑组织中散射严重，需要借助光纤将光能量导入到特定的脑区。虽然光纤直径不大，但是在某些应用中却会受到显著的限制。例如，在大脑发育过程中，脑结构处于快速变化过程中，如果插入光纤，则有可能影响大脑本身的发育，引入不确定因素；2）需要在神经元中表达光敏感通道，这需要借助基因技术。这会引入对于安全性的考虑，在临床转化中会是一个壁垒。所以，如何做到无损安全的实现特定神经元的控制，对于基础研究和临床转化都具有重大意义。通往这一目标路上的每一个进步都能起到重大的推动作用。
如何解决光遗传学第一个方面的不足，实现无损地实现对特定神经元的控制（暂不考虑基因技术的安全性和局限性）？第一种方案，是采用波长更长的光用于激活光敏感通道蛋白。此方案也有两种实现方式：1. 改进通道蛋白特性，使其对红光或者近红外光敏感，从而减少光在组织中的散射，增加其穿透深度；2. 将长波长的光在脑组织中转化成蓝光，从而实现对传统蓝光敏感的通道蛋白的激活。第二种方案，是寻找光敏感蛋白的替代物，这种替代物可以对其它能量形式敏感，其中目前已有的报道包括磁敏感通道蛋白和磁热敏感通道蛋白，磁场可以很好的经过颅骨，达到脑组织的任意位置。虽然目前此项技术仍然有争议，仍然引起了广泛的关注。
2020年8月18日，香港理工大学生物医学工程学院孙雷教授课题组在Cell Reports杂志上发表文章Targeted neurostimulation in mouse brains with non-invasive ultrasound，开发了新的技术——超声遗传学，并表明超声波可以激活机械敏感通道【1,2】。顾名思义，即利用超声波实现对特定神经元的激活。超声波在人脑部疾病的治疗中已经有应用，例如利用核磁引导的超声阵列，将超声能量集中在小范围，实现特定组织的消融，从而治疗包括脑肿瘤和Essential tremor 等疾病。可以肯定的是，超声波可以无损的通过颅骨，被精准的聚焦在人脑任意一个毫米级的小区域内。相比于磁场，超声长具有较高的空间分辨率。低能量聚焦超声在神经调控中的应用也越来越多。
图1 超声遗传学原理图
超声波是一种机械波，其可以产生多种不同的机械效应，包括声辐射力，空化作用等等。所以，本文的假设是，超声波可以激活机械敏感通道，在神经细胞中过表达机械敏感通道，可以提高其对超声的敏感度，从而用更低的超声能量激活所选择的细胞，而没有机械敏感通道过表达的细胞则不会被激活。本文首先从离体HEK293t细胞开始，选择了著名的源自细菌的机械敏感通道MscL作为目标，证明超声可以打开MscL，选择性地在MscL过表达细胞中引发钙离子内流（如图2a所示）。接着，研究人员利用腺病毒，将MscL过表达在原代培养的神经元细胞中，利用钙离子成像，证明了这些神经细胞表现出了对超声更高的敏感性，即用更低的能量可以激活这些神经元（如图2b所示）。利用钙离子成像进行研究的一个重要缺陷是无法对此技术的时间分辨率进行表征。之所以不能用膜片钳进行表征是因为膜片钳玻璃针在低频超声中会产生强烈震动，从而影响记录。浙江大学的Yuezhou Li博士课题组此前曾发表论文，证明利用高频的声表面波可以实现超声刺激下的膜片钳全细胞记录，他们发现高频声表面波可以对MscL进行激活，具有很高的时间分辨率。然而高频声表面波是一种特殊的超声波，它被局限在器件表面，无法在活体小鼠中取得应用。
图 2 MscL增加A）293t细胞和B）神经元对超声的敏感性
在证明了MscL可以增加神经元对超声的灵敏度后，研究人员将MscL表达在小鼠的M1区域，利用EMG表征其刺激效果。如图3A和图3B 所示，0.5MHz，声压为0.1MPa的超声波可以引发MscL表达小鼠的肌肉反应，而不会引起控制组小鼠的反应。印证了离体实验结果，并标明，从超声发射到引发肌肉相应的延迟在200ms以内，显示出较高的时间分辨率。随后，他们利用c fos 作为指标，发现超声激活MscL具有空间靶向性：当MscL表达在M1时，c-fos 的表达主要集中在M1区域，当MscL表达在DMS中，c-fos的表达主要集中在DMS （图3C-D），表明超声遗传学可以无损地、选择性地激活深脑区神经元。

图 3 A）声遗传学活体实验示意图；B）典型的EMG响应结果图；C）MscL靶向的c-fos激活以及在c-fos激活效率在D）M1和DMs的统计结果图。

再者，通过这些实验，他们初步证明了超声遗传学这一新技术的可行性和优越性。该研究工作主要孙雷教授课题组丘志海博士、Shashwati Kala，郭景慧博士，以及博士生冼铨香等人共同完成。据悉，本研究开始于2015年，从开始到见文，历时五年有余，可见交叉学科研究的不易之处。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108033

参考文献

1. Qiu, Z., Guo, J., Kala, S., Zhu, J., Xian, Q., Qiu, W., ... & Chan, H. C. (2019). The mechanosensitive ion channel piezo1 significantly mediates in vitro ultrasonic stimulation of neurons. iScience, 21, 448-457.2. Yoo, S., Mittelstein, D. R., Hurt, R. C., Lacroix, J. J., & Shapiro, M. G. (2020). Focused ultrasound excites neurons via mechanosensitive calcium accumulation and ion channel amplification. bioRxiv.