Новая технология позволяет исследователям точно и гибко модулировать мозг

Заболевания головного мозга человека, такие как болезнь Паркинсона, повреждают более чем одну область мозга, что требует технологий, которые могли бы точно и гибко воздействовать на все пораженные области одновременно.

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали неинвазивную технологию, сочетающую голографическое акустическое устройство с генной инженерией, которая позволяет им точно воздействовать на пораженные нейроны головного мозга, создавая потенциал для точной модуляции выбранных типов клеток в нескольких пораженных участках мозга.

Хун Чен, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Инженерной школе МакКелви и нейрохирургии в Медицинской школе, и ее команда создали AhSonogenetics, или голографическую соногенетику с воздушным лучом, метод, который использует неинвазивное носимое ультразвуковое устройство для изменения генетически выбранных нейронов. в мозгу мышей. Результаты исследования, подтверждающего концепцию, были опубликованы в Труды Национальной академии наук 17 июня.

AhSonogenetics объединяет несколько последних достижений группы Чена в одну технологию. В 2021 году она и ее команда запустили Sonogenetics — метод, который использует сфокусированный ультразвук для доставки вирусной конструкции, содержащей чувствительные к ультразвуку ионные каналы, к генетически выбранным нейронам мозга. Они используют сфокусированный ультразвук низкой интенсивности, чтобы доставить небольшой импульс тепла, который открывает ионные каналы и активирует нейроны. Команда Чена была первой, кто показал, что соногенетика может модулировать поведение свободно движущихся мышей.

В 2022 году она и члены ее лаборатории разработали и напечатали на 3D-принтере гибкий и универсальный инструмент, известный как бинарная акустическая метаповерхность с поддержкой лучей Эйри, которая позволяла им манипулировать ультразвуковыми лучами. Она также разрабатывает Sonogenetics 2.0, которая сочетает в себе преимущества ультразвука и генной инженерии для неинвазивной и точной модуляции определенных нейронов в мозге людей и животных. AhSonogenetics объединяет их как потенциальный метод вмешательства при нейродегенеративных заболеваниях.

«Обеспечивая точную и гибкую нейромодуляцию, специфичную для каждого типа клеток, без инвазивных процедур, AhSonogenetics предоставляет мощный инструмент для исследования неповрежденных нервных цепей и предлагает многообещающие вмешательства при неврологических расстройствах», — сказал Чен.

Соногенетика дает исследователям возможность точно контролировать мозг, а технология воздушного луча позволяет исследователям изгибать или направлять звуковые волны для генерации произвольных шаблонов лучей внутри мозга с высоким пространственным разрешением. Яохэн (Мак) Ян, научный сотрудник, получивший докторскую степень в области биомедицинской инженерии в McKelvey Engineering в 2022 году, сказал, что эта технология дает исследователям три уникальных преимущества.

«Луч Эйри — это технология, которая может дать нам возможность точного нацеливания на меньшую область мозга, чем традиционные технологии, а также гибкость в управлении целевыми областями мозга и одновременном воздействии на несколько областей мозга», — сказал Янг.

Чен и ее команда, включая первых авторов Чжунтао Ху, бывшего научного сотрудника с постдокторской степенью, и Ян, разработали каждую метаповерхность пучка Эйри индивидуально в качестве основы для носимых ультразвуковых устройств, которые были адаптированы для различных приложений и для точных мест в мозге.

Команда Чена протестировала эту технику на мышиной модели болезни Паркинсона. С помощью AhSonogenetics они смогли одновременно стимулировать две области мозга у одной мыши, устраняя необходимость в нескольких имплантатах или вмешательствах. Эта стимуляция облегчила двигательный дефицит, связанный с болезнью Паркинсона, в мышиной модели, включая медленные движения, трудности при ходьбе и замирание.

Созданное командой устройство Airy-beam преодолевает некоторые ограничения соногенетики, включая адаптацию конструкции устройства для воздействия на определенные участки мозга, а также обеспечение гибкости для настройки целевых участков в одном мозге.

Ху сказал, что устройство, изготовление которого стоит примерно 50 долларов, можно адаптировать по размеру к разным размерам мозга, что расширяет его потенциальные возможности применения.

«Эта технология может использоваться в качестве исследовательской платформы для ускорения нейробиологических исследований благодаря способности гибко воздействовать на различные области мозга», — сказал Ху. «Доступность и простота изготовления снижают барьеры на пути широкого внедрения предлагаемых нами устройств исследовательским сообществом для применения нейромодуляции».