超声和遗传学结合可以通过刺激大脑深处的一个特定目标来控制动物行为

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由McKelvey工程学院生物医学工程和医学院放射肿瘤学助理教授Hong Chen领导的团队首次提供了直接证据，显示通过结合超声波诱导的加热效应和遗传学，对哺乳动物大脑中的神经元进行非侵入性、细胞类型特异性激活，他们将此命名为声热遗传学。这也是第一项表明超声加上遗传学的组合能够通过刺激大脑深处的特定目标而有力地控制行为的工作。

这项为期三年的研究由美国国立卫生研究院的BRAIN计划提供部分资金，其结果于2021年5月10日在线发表于《脑刺激》。

高级研究团队包括来自麦凯尔维工程学院和医学院各自领域的知名专家，包括生物医学工程教授崔建民；放射学、物理学和生物医学工程教授Joseph P. Culver；医学部传染病科医学副教授Mark J. Miller；以及原华盛顿大学，现华盛顿大学麻醉学和药理学教授Michael Bruchas。

研究人员的努力提供了证据证明超声遗传学在自由移动的小鼠中唤起了行为反应，同时针对的是大脑深处的部位。这有可能改变我们的神经科学研究方法，也就是发现理解和治疗人类大脑疾病的新方法。

利用小鼠模型，Hong Chen和该团队将含有TRPV1离子通道的病毒构建体传递给遗传选择的神经元。然后，他们通过一个可穿戴设备，通过低强度聚焦超声波向大脑中选定的神经元提供小范围的热量。热量只比体温高几度就可以激活TRPV1离子通道，它就像一个开关，将神经元打开或关闭。将这种设备佩戴在可自由移动的小鼠头上的超声波信号可以移动以瞄准整个大脑的不同位置。因为它是无创的，这项技术有可能在未来被推广到大型动物和潜在的人类。

这项工作建立在崔建民实验室进行的研究之上，该研究于2016年发表在《科学报告》上。崔和他的团队首次发现，仅靠超声波就能影响离子通道的活动，并可能带来控制特定细胞活动的新的、非侵入性的方法。在他们的工作中，他们发现聚焦超声对流经离子通道的电流的调制平均高达23%，这取决于通道和刺激强度。在这项工作之后，研究人员发现有近10个离子通道具有这种能力，但它们都是机械敏感的，而不是热敏感的。

这项工作还建立在光遗传学的概念上，即有针对性地表达对光敏感的离子通道和精确传递光来刺激大脑深处的神经元的组合。虽然光遗传学增加了新神经回路的发现，但由于光的散射，它的渗透深度有限，而且需要通过手术植入光纤。

超声和遗传学有希望以毫米级的分辨率瞄准小鼠大脑的任何位置，而不会对大脑造成任何损害，团队继续优化该技术并进一步验证他们的发现。