的新领域sonogenetics利用声波控制脑细胞的行为
如果你不需要起搏器植入手术在一个错误的心?如果你可以控制你的血糖水平没有注射胰岛素,或减轻癫痫发作不推一个按钮吗?
我和一个科学家团队我的实验室在索尔克研究所应对这些挑战通过开发一项新技术被称为sonogenetics,能够无创用声音控制细胞的活动。
从光的声音
我是一个神经学家感兴趣的理解大脑如何检测环境变化和响应。神经学家们总是在寻找生活的方式来影响神经元的大脑,这样我们可以分析结果和理解大脑是如何工作和如何更好地治疗脑部疾病。
创建这些特定的变化需要新的工具的发展。过去二十年的研究人员在这个领域一直光遗传学工具,一个技术改造动物的脑细胞与光控制。这个过程是插入一个光纤动物的大脑深处传递到目标区域。
当这些神经细胞暴露在蓝光,光敏蛋白质被激活,让那些大脑细胞相互沟通和修改动物的行为。例如,动物与帕金森症治愈他们的无意识的颤抖闪亮的光对大脑细胞,特制的感光。但最明显的缺点是这个过程取决于手术植入一个电缆老化的策略,不容易翻译成的人。
我的目标是找出如何操纵大脑不使用光。
声音控制
我发现超声波声音波在人类听觉范围之外,非侵入性和安全是一个很好的方法来控制细胞。因为声音是一种机械能的形式,我认为如果能让大脑细胞机械敏感,然后用超声波可以修改它们。这项研究让我们的发现第一个天然蛋白质机械探测器对超声波,使大脑细胞敏感。
我们的技术在两个阶段工作。首先我们介绍新的遗传物质故障脑细胞用病毒作为交付设备。这提供了对这些细胞的说明ultrasound-responsive蛋白质。
下一步是发射超声脉冲在动物的身体外的设备目标感的细胞蛋白质。超声波脉冲远程激活的细胞。
证明在蠕虫
我们是第一个展示sonogenetics可以用来激活神经元在一个微小的蠕虫秀丽隐杆线虫。
利用基因技术,我们发现了一个天然的蛋白质称为TRP-4-which存在于一些蠕虫的神经元是超声压力变化敏感。声压波,发生在超声波范围超过人类听觉正常的阈值。有些动物,包括蝙蝠,鲸鱼甚至飞蛾,在这些超声波频率可以交流,但我们的实验中使用的频率甚至超越这些动物可以检测。
我和我的团队表明,神经元与TRP-4蛋白质对超声波频率敏感。声波在这些频率改变了蠕虫的行为。我们转基因两蛔虫的302个神经元并添加TRP-4基因我们知道从先前的研究参与mechanosensation。
我们展示了超声脉冲可以让虫子改变方向,如果我们使用蠕虫遥控器。这些观察结果证明我们可以使用超声波作为一种工具来研究大脑功能在活体动物没有插入任何进入大脑。
sonogenetics的优点
这个最初的发现标志着一项新技术的诞生提供了深入了解细胞可以兴奋的声音。此外,我相信,我们的研究结果表明,sonogenetics可以应用到操纵各种细胞类型和细胞功能。
秀丽隐杆线虫是一个很好的起点发展这项技术,因为动物相对简单,只有302个神经元。其中,TRP-4只有8个神经元。所以我们可以控制其他神经元首先给它们加上TRP-4然后指导超声正是在这些特定的神经元。
但是人类,不像蠕虫,没有TRP-4基因。所以我的计划是将感蛋白引入特定的人类细胞,我们想要控制。这种方法的优点是,超声波不会干扰其他人体细胞。
目前不清楚如果蛋白质其他超声比TRP-4敏感。识别这种蛋白质,如果有的话,是一个地区的研究在我的实验室和领域。
关于sonogenetics最好的部分是,它不需要大脑植入。sonogenetics,我们使用人工改造的病毒无法复制遗传物质传递给大脑细胞。这允许细胞制造感蛋白质。这种方法已被用于传递遗传物质对人类的血液和心肌细胞在猪身上。
Sonogenetics虽然仍在开发的早期阶段,为各种移动相关疾病提供新的治疗策略包括帕金森病、癫痫和运动障碍。在所有这些疾病,某些大脑细胞停止工作,防止正常动作。Sonogenetics可以使医生打开或关闭大脑细胞在特定位置或时间没有脑部手术和治疗这些运动障碍。
为此,目标区域的大脑需要感染病毒携带基因感蛋白质。这是人类在老鼠但尚未完成。基因疗法变得更好、更精确,我希望其他研究人员必须知道如何做到这一点的时候我们准备sonogenetic技术。
延长sonogenetics
我们已经收到实质性的支持推进这一技术,燃料初始研究和建立一个跨学科的团队。
额外的资金国防高级研究计划局的ElectRx程序,我们就可以专注于寻找蛋白质可以帮助我们“关掉”神经元。我们最近发现的蛋白质,可以操纵激活神经元(未发表的工作)。这对制定治疗策略是至关重要的,可以用于治疗中枢神经系统疾病如帕金森症。
我们的团队正致力于扩大sonogenetic技术。我们已经注意到,某些植物,如“别碰我”(含羞草),对超声敏感。就像这种植物的叶子被触摸或震动崩溃时,向内折叠,将脉冲超声波应用于一个独立的分支产生相同的反应。最后,我们正在开发一种不同的方法来测试如果超声波可以影响代谢过程,如胰腺的胰岛素分泌细胞。
Sonogenetics有朝一日能规避药物,消除入侵的必要性大脑手术,是有用的条件从创伤后压力心理障碍症和慢性疼痛的运动障碍。sonogenetics潜力巨大,这种技术可以应用于控制几乎所有类型的细胞:从胰腺中产生胰岛素的细胞节奏的心。
我们希望sonogenetics变革了神经科学和医学领域。
