發(fā)布日期：2018-07-02
近日，中國科學院深圳先進研究院鄭海榮課題組和浙江大學醫(yī)學院李月舟課題組合作，在Nano Letters期刊發(fā)表了題為Ultrasonic control of neural activity through activation of mechanosensitive channel MscL的研究論文。該項研究將超聲輻射力和機械敏感性離子通道結合起來，首次在神經(jīng)元上通過超聲刺激激活機械敏感性離子通道，并進而精確控制神經(jīng)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(fā)展奠定了基礎，具有重要的理論意義和應用價值。
近年來興起的光遺傳學技術，被稱為是21世紀神經(jīng)科學領域最引人注目的革新，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(jīng)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(fā)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(chuàng)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，可以無損傷的穿透深入大腦或其他組織內(nèi)部，并且可以通過聚焦獲得精確定位。
由于細胞對超聲的響應能力有限，為了達到通過超聲精確控制神經(jīng)元的目的，需要找到一種介質(zhì)既可以很好的響應超聲刺激，又可以在神經(jīng)元表達并賦予神經(jīng)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(fā)現(xiàn)的一種新型離子通道，有別于傳統(tǒng)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(nèi)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。浙江大學醫(yī)學院李月舟課題組長期以來致力機械敏感性離子通道開放機制和功能，深圳先進研究院鄭海榮課題組掌握了獨特的超聲輻射力神經(jīng)調(diào)控技術，在超聲神經(jīng)調(diào)控儀器研制方面積累了豐富的經(jīng)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(yōu)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(yǎng)的大鼠神經(jīng)元中表達MscL通道。結果表明MscL可以在神經(jīng)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，中國科學院深圳先進院鄭海榮課題組設計開發(fā)了一系列跨尺度超聲神經(jīng)調(diào)控工具（圖3）。超聲輻射力神經(jīng)刺激芯設計基于不同主頻叉指換能器指條寬度，形狀，對數(shù)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(diào)超聲神經(jīng)刺激芯片，產(chǎn)生高強度局域聲場及超聲輻射力可有效作用于神經(jīng)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(jiān)測超聲誘發(fā)的生物效應，為超聲神經(jīng)調(diào)控治療神經(jīng)類疾病提供基礎和理論依據(jù)。同時研制的動物超聲神經(jīng)刺激系統(tǒng)可對深部腦核團和神經(jīng)環(huán)路開展無創(chuàng)、動態(tài)和網(wǎng)絡式的神經(jīng)刺激與調(diào)控。該技術和工具的研制可在腦疾病的研究、神經(jīng)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(xù)的活體超聲遺傳學奠定了基礎，并有望通過進一步開發(fā)的多面陣、多焦點的深部腦刺激超聲調(diào)控儀器解析神經(jīng)環(huán)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。
浙江大學醫(yī)學院的博士生葉佳、唐思陽，以及深圳先進院的孟龍副研究員是本文的第一作者，鄭海榮和李月舟是本文的通訊作者。參與該工作的還有浙江大學醫(yī)學院的段樹民院士、胡海嵐教授、李相堯教授，浙江大學附屬兒童醫(yī)院舒強院長、江米足教授、尚世強教授，深圳先進研究院的牛麗麗副研究員、邱維寶研究員。該研究得到國家自然科學基金（81527901，11534013，31270878）、科技部973計劃（2014CB910302）等項目的資助。
論文鏈接
圖1: 超聲刺激引起表達于神經(jīng)元的機械敏感性離子通道MscL（圖中黃色所示）的開放，導致離子跨膜運輸（圖中綠色箭頭所示），改變神經(jīng)元膜電位，誘發(fā)神經(jīng)沖動（圖中紅色所示動作電位）
圖2：通過病毒感染技術在原代培養(yǎng)的神經(jīng)元上表達的機械敏感性離子通道MscL具有完整的功能，可用很好的響應機械刺激
圖3：（a）超聲神經(jīng)刺激芯片以及（b）小動物超聲刺激系統(tǒng)
來源：深圳先進技術研究院
