人腦疾病，如帕金森病，涉及多個腦區(qū)的損傷，因此需要新的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，能夠精確且靈活地同時調(diào)控所有受影響的腦區(qū)。

近日，美國圣路易斯華盛頓大學(xué)教授陳紅團隊在美國《國家科學(xué)院院刊》發(fā)表論文，他們創(chuàng)建了“艾里束全息聲遺傳技術(shù)”（AhSonogenetics）, 開發(fā)出一種將全息聲學(xué)設(shè)備與基因工程結(jié)合的非侵入性技術(shù)，能精確地將超聲波瞄準大腦中受影響的神經(jīng)元，通過精確調(diào)節(jié)多個患病腦區(qū)中特定細胞達到治療目的。在針對帕金森病小鼠的治療實驗中，研究人員已經(jīng)取得了明顯的效果。

艾里束全息聲遺傳技術(shù)（AhSonogenetics）概念圖。受訪者供圖

“操縱”超聲波束聚焦病區(qū)

2021年，陳紅團隊提出聲遺傳學(xué)，通過將包含超聲波敏感離子通道的病毒構(gòu)建體傳遞到大腦中經(jīng)過基因選擇的神經(jīng)元，用低強度聚焦超聲波來傳遞少量的熱量，從而打開離子通道并激活神經(jīng)元。

“我們在神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了感受超聲波的離子通道，進而解釋了該技術(shù)的潛在機理。”陳紅說。

艾里波束（Airy beam）由英國皇家天文學(xué)家喬治·比德爾·艾里爵士提出，是一種特殊的自彎曲波束，它具有非衍射、自加速和自愈的特點。

“艾里波束的特點為超聲束操縱提供了機會?！闭撐淖髡咧?、圣路易斯華盛頓大學(xué)博士后楊垚亨告訴《中國科學(xué)報》。2022 年，該團隊設(shè)計并通過 3D 打印技術(shù)，制造出一種聲學(xué)全息透鏡來生成超聲艾里波束，實現(xiàn)了緊密且靈活的 3D 聚焦。

聲遺傳學(xué)為研究人員提供了一種精確控制大腦的方法，而Airy beam技術(shù)使研究人員能夠彎曲或引導(dǎo)聲波，在大腦內(nèi)部生成任意波束圖案，并具有高空間分辨率。

“AhSonogenetics將這兩項技術(shù)結(jié)合起來，成為干預(yù)神經(jīng)退行性疾病的潛在方法?！闭撐牡谝蛔髡?、北京航空航天大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院副教授胡中韜說，“該技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)更精確地定位更小的大腦區(qū)域，具有引導(dǎo)到不同目標腦區(qū)的靈活性，并能夠同時靶向多個損傷腦區(qū)?！?/p>

帕金森病治療初見成效

為評估艾里束全息聲遺傳技術(shù)在治療帕金森病方面的潛力，研究人員設(shè)計出一種“艾里束全息聲透鏡”來生成雙焦點，用于雙邊靶向小鼠大腦背側(cè)紋狀體。

“鈣活動是小鼠體內(nèi)指神經(jīng)細胞激活的重要信號。”楊垚亨說，“我們通過光纖光度測定將艾里束全息聲遺傳技術(shù)與小鼠體內(nèi)鈣記錄集成，記錄了小鼠大腦在左側(cè)或右側(cè)紋狀體的超聲刺激期間左側(cè)和右側(cè)紋狀體的鈣活動?！?/p>

此外，該團隊還設(shè)計出使用艾里束全息超表面的可穿戴超聲設(shè)備，用于自由移動小鼠的無植入、細胞亞型特異性、空間精確且靈活的神經(jīng)調(diào)節(jié)。研究人員將含有超聲波敏感離子通道的病毒構(gòu)建體傳遞到基因選擇的神經(jīng)元中。然后利用可穿戴設(shè)備通過低強度聚焦超聲波向大腦中選定的神經(jīng)元傳遞少量熱量。

“比體溫高幾度的熱量激活了該離子通道，讓通道充當打開或關(guān)閉神經(jīng)元的開關(guān)。”楊垚亨說，“患有帕金森疾病的老鼠表現(xiàn)為行動遲緩，活動頻率下降，我們在實驗時發(fā)現(xiàn)，艾里束全息聲遺傳技術(shù)可以幫助帕金森模型小鼠提高運動方面的積極性，提高活動頻率。”

“艾里束全息聲透鏡不僅能生成兩個焦點，其實際上可以調(diào)節(jié)生成任意圖樣的超聲波聚焦。”楊垚亨補充說，“對帕金森疾病的治療只是其功能的一個展示，以后可以針對不同的腦疾病，定制不同的聲學(xué)圖樣，靶向在各個疾病腦區(qū)以增強治療效果。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2402200121

來源：中國科學(xué)報