基于機(jī)械敏感性離子通道的超聲神經(jīng)調(diào)控

腦的奧秘是人類面臨的終極挑戰(zhàn)。大腦由眾多的神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元的興奮和抑制，決定了個(gè)體的所有活動(dòng)。如何精確控制特定神經(jīng)元的活性，是研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和行為的關(guān)鍵技術(shù)，也是揭示大腦奧秘的重要手段。請(qǐng)看中國學(xué)者最新研究進(jìn)展和MIT美國科學(xué)院院士Robert Desimone教授的精彩點(diǎn)評(píng)。

近年來興起的光遺傳學(xué)技術(shù)，被稱為是21世紀(jì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)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(yīng)用。其主要原理是采用基因操作技術(shù)將細(xì)菌的光敏感蛋白轉(zhuǎn)入到特定類型的神經(jīng)元中進(jìn)行表達(dá)，并通過不同波長(zhǎng)的光照刺激光敏感蛋白，從而造成細(xì)胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達(dá)到對(duì)細(xì)胞選擇性地興奮或者抑制的目的。但是在哺乳動(dòng)物中，光遺傳學(xué)技術(shù)需要通過顱骨手術(shù)將特定波長(zhǎng)的光線引入腦中，這種創(chuàng)傷性為其在活體的應(yīng)用帶來一定的局限。因此，越來越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向其他無損傷的方法，比如超聲。

超聲是一種安全的刺激方式，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。近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院李月舟課題組和中科院深圳先進(jìn)研究院鄭海榮課題組合作在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（圖1）。該項(xiàng)研究將超聲輻射力和機(jī)械敏感性離子通道結(jié)合起來，首次在神經(jīng)元上通過超聲刺激激活機(jī)械敏感性離子通道，并進(jìn)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(xué)研究中的新方向，為超聲遺傳學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖1: 超聲刺激引起表達(dá)于神經(jīng)元的機(jī)械敏感性離子通道MscL（圖中黃色所示）的開放，導(dǎo)致離子跨膜運(yùn)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(dòng)（圖中紅色所示動(dòng)作電位）。

由于細(xì)胞對(duì)超聲的響應(yīng)能力有限，為了達(dá)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(yīng)超聲刺激，又可以在神經(jīng)元表達(dá)并賦予神經(jīng)元靈敏的超聲敏感性?？紤]到超聲的機(jī)械效應(yīng)，機(jī)械敏感性離子通道是一個(gè)很好的選擇。機(jī)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(xì)胞形變等方式導(dǎo)致的膜張力的變化而開放，引起細(xì)胞內(nèi)外離子的跨膜運(yùn)輸，參與介導(dǎo)眾多的生命活動(dòng)，其功能愈來愈受到重視。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院李月舟課題組長(zhǎng)期以來致力機(jī)械敏感性離子通道開放機(jī)制和功能，中科院深圳先進(jìn)研究院鄭海榮課題組掌握了獨(dú)特的超聲輻射力神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，在超聲神經(jīng)調(diào)控儀器研制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，兩者的合作促成了該項(xiàng)研究。

實(shí)驗(yàn)中，課題組選擇了來自細(xì)菌的機(jī)械敏感性離子通道MscL。MscL具有作為納米開關(guān)的天然優(yōu)勢(shì)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有136個(gè)氨基酸，容易在真核生物表達(dá)；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?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(huì)干擾細(xì)胞的其它功能。課題組首先構(gòu)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(dá)MscL通道。結(jié)果表明MscL可以在神經(jīng)元上功能性表達(dá)，并對(duì)機(jī)械刺激保持敏感 （圖2）。

圖2：通過病毒感染技術(shù)在原代培養(yǎng)的神經(jīng)元上表達(dá)的機(jī)械敏感性離子通道MscL具有完整的功能，可用很好的響應(yīng)機(jī)械刺激。

在基金委重大科研儀器支持下，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院鄭海榮課題組設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)基于不同主頻叉指換能器指條寬度，形狀，對(duì)數(shù)和聲孔徑尺寸，通過標(biāo)準(zhǔn)微納加工技術(shù)光刻，濺射叉指換能器電極，制備微型聲場(chǎng)可調(diào)超聲神經(jīng)刺激芯片，產(chǎn)生高強(qiáng)度局域聲場(chǎng)及超聲輻射力可有效作用于神經(jīng)元細(xì)胞。該芯片可與鈣成像、膜片鉗等生物學(xué)手段相兼容，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超聲誘發(fā)的生物效應(yīng)，為超聲神經(jīng)調(diào)控治療神經(jīng)類疾病提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。同時(shí)研制的動(dòng)物超聲神經(jīng)刺激系統(tǒng)可對(duì)深部腦核團(tuán)和神經(jīng)環(huán)路開展無創(chuàng)、動(dòng)態(tài)和網(wǎng)絡(luò)式的神經(jīng)刺激與調(diào)控。該技術(shù)和工具的研制可在腦疾病的研究、神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究及其相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)廣泛應(yīng)用。

圖3：（a）超聲神經(jīng)刺激芯片以及（b）小動(dòng)物超聲刺激系統(tǒng)。

利用超聲刺激芯片，研究表達(dá)有MscL的神經(jīng)元對(duì)超聲刺激的響應(yīng)。實(shí)際上，只要達(dá)到一定的刺激強(qiáng)度，神經(jīng)元對(duì)超聲都會(huì)有所響應(yīng)。因此，為了做到精確的超聲神經(jīng)調(diào)控，一個(gè)挑戰(zhàn)是如何降低背景神經(jīng)元的超聲響應(yīng)，如何只讓特定神經(jīng)元產(chǎn)生超聲響應(yīng)。得益于對(duì)MscL開放機(jī)制的長(zhǎng)期研究，通過優(yōu)化改造，課題組構(gòu)建了對(duì)機(jī)械刺激超級(jí)敏感的突變體通道I92L-MscL。這使得我們可以用盡可能低的超聲強(qiáng)度，去激活I(lǐng)92L-MscL并興奮神經(jīng)元，而沒有表達(dá)I92L-MscL的神經(jīng)元卻不會(huì)被興奮，從而提高超聲神經(jīng)調(diào)控的安全性、靈敏度和信噪比。的確，在實(shí)驗(yàn)中觀察到表達(dá)有I92L-MscL的神經(jīng)元可以被低至0.25 MPa的超聲刺激所興奮，而同時(shí)背景神經(jīng)元卻沒有任何響應(yīng)（圖4）。這一強(qiáng)度大大低于目前認(rèn)為的有可能對(duì)腦產(chǎn)生損傷的超聲刺激強(qiáng)度（~1 MPa）。

圖4：優(yōu)化改造獲得的MscL突變體I92L，具有超敏感的機(jī)械敏感性，可以響應(yīng)超聲刺激并誘發(fā)神經(jīng)元興奮性。

同時(shí)，課題組對(duì)超聲刺激模式進(jìn)行了優(yōu)化。通過程序化的脈沖刺激可以精確控制表達(dá)有I92L-MscL的神經(jīng)元的興奮性，每次超聲刺激均誘發(fā)一次動(dòng)作電位，最高可以形成5 Hz的神經(jīng)沖動(dòng)（圖5）。該研究結(jié)果為后續(xù)的活體超聲遺傳學(xué)奠定了基礎(chǔ)。并有望通過進(jìn)一步開發(fā)的多面陣、多焦點(diǎn)的深部腦刺激超聲調(diào)控儀器解析神經(jīng)環(huán)路，并對(duì)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。

圖5：脈沖超聲刺激通過激活I(lǐng)92L-MscL通道精確控制神經(jīng)元的興奮性。

Robert Desimone教授

Director, McGovern Institute, Doris and Don Berkey Professor, Brain and Cognitive Sciences, 美國科學(xué)院院士, 麻省理工學(xué)院 Robert Desimone教授對(duì)此工作進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)：

The development of methods to use light to control the firing of neurons in the brain has revolutionized neuroscience research. But light based methods generally require a probe implanted in the brain to deliver the light. If one could use a noninvasive source of energy, such as ultrasound, to control neurons, this would have major research and clinical applications. The results of Jia Ye et al with ultrasound look extremely promising, and I am sure they will stimulate more research to test the use of ultrasound in many neural applications, both basic and clinical.

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院的博士生葉佳、唐思陽，以及深圳先進(jìn)研究院的孟龍副研究員，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(xué)醫(yī)學(xué)院的段樹民院士、胡海嵐教授、李相堯教授，浙江大學(xué)附屬兒童醫(yī)院的舒強(qiáng)院長(zhǎng)、江米足教授、尚世強(qiáng)教授，深圳先進(jìn)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(xué)基金（81527901，11534013，31270878）、科技部973計(jì)劃（2014CB910302）等項(xiàng)目的資助。