科學家首次實現基於機械敏感性離子通道的超聲神經調控

近日，中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮課題組和浙江大學醫學院李月舟課題組合作，在Nano Letters期刊發表了題為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，首次在神經元上通過超聲刺激激活機械敏感性離子通道，並進而精確控制神經元的興奮性。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。其主要原理是採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元中進行表達，並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，可以無損傷地穿透深入大腦或其他組織內部，並且可以通過聚焦獲得精確定位。

由於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元的目的，需要找到一種介質既可以很好地響應超聲刺激，又可以在神經元表達並賦予神經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現的一種新型離子通道，有別於傳統的電壓敏感，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。李月舟課題組長期以來致力於機械敏感性離子通道開放機制和功能研究，鄭海榮課題組掌握了獨特的超聲輻射力神經調控技術，在超聲神經調控儀器研製方面積累了豐富的經驗，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，並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，然後通過病毒感染在原代培養的大鼠神經元中表達MscL通道。結果表明MscL可以在神經元上功能性表達，並對機械刺激保持敏感（圖2）。

在基金委重大科研儀器支持下，鄭海榮課題組設計開發了一系列跨尺度超聲神經調控工具（圖3）。超聲輻射力神經刺激芯設計基於不同主頻叉指換能器指條寬度、形狀、對數和聲孔徑尺寸，通過標準微納加工技術光刻，濺射叉指換能器電極，製備微型聲場可調超聲神經刺激晶元，產生高強度局域聲場及超聲輻射力可有效作用於神經元細胞。該晶元可與鈣成像、膜片鉗等生物學手段相兼容，實時監測超聲誘發的生物效應，為超聲神經調控治療神經類疾病提供基礎和理論依據。同時研製的動物超聲神經刺激系統可對深部腦核團和神經環路開展無創、動態和網路式的神經刺激與調控。該技術和工具的研製可在腦疾病的研究、神經科學基礎研究及其相關領域科學廣泛應用。該研究結果為後續的活體超聲遺傳學奠定了基礎，並有望通過進一步開發的多面陣、多焦點的深部腦刺激超聲調控儀器解析神經環路，並對帕金森症、抑鬱症等腦疾病提供新的研究，甚至是治療的有效新工具。

浙江大學醫學院博士生葉佳、唐思陽，以及深圳先進院副研究員孟龍是論文的第一作者，鄭海榮和李月舟是論文的通訊作者。參與該工作的還有浙江大學醫學院教授段樹民、胡海嵐、李相堯，浙江大學附屬兒童醫院院長舒強、教授江米足、尚世強，深圳先進院副研究員牛麗麗、研究員邱維寶。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。

圖1: 超聲刺激引起表達於神經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），改變神經元膜電位，誘發神經衝動（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的神經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）超聲神經刺激晶元以及（b）小動物超聲刺激系統

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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