Sonothermogenetics Dapat Mengontrol Perilaku dengan Merangsang Target Tertentu Jauh di Dalam Otak

Di

Kredit: Universitas Washington Di St. Louis

Alat Baru Menggabungkan Ultrasound, Genetika untuk Mengaktifkan Neuron Otak Dalam

Gangguan neurologis seperti penyakit Parkinson dan epilepsi telah berhasil ditangani dengan stimulasi otak yang mendalam, tetapi gangguan tersebut memerlukan implantasi perangkat bedah. Tim multidisiplin dari University of Washington di St. Louis telah mengembangkan teknik stimulasi otak baru menggunakan ultrasound terfokus yang mampu menghidupkan dan mematikan jenis neuron tertentu di otak dan secara tepat mengontrol aktivitas motorik tanpa implantasi perangkat bedah.

Tim, yang dipimpin oleh Hong Chen, asisten profesor teknik biomedis di McKelvey School of Engineering dan radioterapi onkologi di Fakultas Kedokteran, adalah yang pertama memberikan bukti langsung yang menunjukkan aktivasi neuron non-invasif, spesifik-sel, dan aktivasi neuron di otak mamalia yang menggabungkan efek pemanasan yang disebabkan oleh USG dan genetika, yang mereka sebut sonothermogenetika. Ini juga merupakan karya pertama yang menunjukkan bahwa kombinasi ultrasound-genetik dapat dengan kuat mengontrol perilaku dengan menstimulasi target tertentu jauh di dalam otak.

Hasil penelitian selama tiga tahun, yang sebagian didanai oleh prakarsa BRAIN dari National Institutes of Health, dipublikasikan secara online di Stimulasi Otak pada 10 Mei 2021.


Laboratorium Hong Chen, seorang profesor teknik biomedis di Sekolah Teknik McKelvey, Universitas Washington di St. Louis, menghasilkan karya pertama yang menunjukkan bahwa sonotermogenetik dapat mengontrol perilaku dengan menstimulasi target tertentu jauh di dalam otak. Kredit: Lab Ultrasound Chen

Tim peneliti senior termasuk para ahli terkenal di bidangnya dari Fakultas Teknik McKelvey dan Fakultas Kedokteran, termasuk Jianmin Cui, profesor teknik biomedis; Joseph P. Culver, profesor radiologi, fisika, dan teknik biomedis; Mark J. Miller, profesor kedokteran di Divisi Penyakit Menular di Departemen Kedokteran; dan Michael Bruchas, seorang senior di Universitas Washington, sekarang profesor anestesiologi dan farmakologi di Universitas Washington.

“Pekerjaan kami telah memberikan bukti bahwa sonothermogenetics membangkitkan respons perilaku pada tikus yang bergerak bebas sambil menargetkan situs otak bagian dalam,” kata Chen. “Sonothermogenetics memiliki potensi untuk mengubah pendekatan kami untuk penelitian dalam ilmu saraf dan menemukan metode baru untuk memahami dan mengobati gangguan otak manusia.”

Menggunakan model tikus, Chen dan tim mengirim konstruksi virus yang berisi saluran ion TRPV1 ke neuron yang dipilih secara genetik. Kemudian, mereka mengirimkan semburan kecil panas untuk ultrasound terfokus intensitas rendah ke neuron tertentu di otak melalui perangkat portabel. Panas, hanya beberapa derajat lebih hangat dari suhu tubuh, mengaktifkan saluran ion TRPV1, yang bertindak sebagai sakelar untuk menghidupkan atau mematikan neuron.

“Kami dapat memindahkan perangkat ultrasonik yang dibawa di kepala tikus dalam gerakan bebas di sekitarnya ke berbagai tempat di seluruh otak,” kata Yaoheng Yang, penulis pertama makalah dan mahasiswa pascasarjana di bidang teknik biomedis. “Karena non-invasif, teknik ini berpotensi untuk ditingkatkan ke hewan besar dan berpotensi manusia di masa depan.”

Pekerjaan ini didasarkan pada penelitian yang dilakukan di lab Cui yang dipublikasikan di Laporan Ilmiah pada 2016. Cui dan timnya untuk pertama kalinya menemukan bahwa ultrasound saja dapat mempengaruhi aktivitas saluran ion dan dapat mengarah pada cara-cara baru dan non-invasif untuk mengontrol aktivitas sel-sel tertentu. Dalam pekerjaan mereka, mereka menemukan bahwa ultrasound terfokus memodulasi arus yang mengalir melalui saluran ion dengan rata-rata hingga 23%, tergantung pada saluran dan intensitas stimulus. Setelah pekerjaan ini, para peneliti menemukan sekitar 10 saluran ion dengan kemampuan ini, tetapi semuanya bersifat mekanosensitif, bukan termosensitif.

Pekerjaan ini juga didasarkan pada konsep optogenetika, kombinasi ekspresi target saluran ion sensitif cahaya dan pengiriman cahaya yang tepat untuk menstimulasi neuron secara mendalam. Sementara optogenetika telah meningkatkan penemuan sirkuit saraf baru, penetrasi kedalamannya terbatas karena difusi cahaya dan memerlukan implantasi bedah dari serat optik.

Sonothermogenetics berjanji untuk menargetkan setiap tempat di otak tikus dengan resolusi skala milimeter tanpa menyebabkan kerusakan pada otak, kata Chen. Dia dan tim terus mengoptimalkan teknik tersebut dan memvalidasi lebih lanjut temuan mereka.

Referensi: “Sonothermogenetics untuk non-invasif, jenis sel neuromodulasi otak dalam” oleh Yaoheng Yang, Christopher Pham Pacia, Dezhuang Ye, Lifei Zhu, Hongchae Baek, Yimei Yue, Jinyun Yuan, Mark J. Miller, Jianmin Cui, Joseph P. Culver, Michael R.Bruchas dan Hong Chen, 10 Mei 2021, Stimulasi Otak.
DOI: 10.1016 / j.brs.2021.04.021

Pekerjaan ini didukung oleh National Health Initiative (NIH) BRAIN (R01MH116981) dan NIBIB (R01EB027223 dan R01EB030102). Pekerjaan ini didukung oleh Pusat Harapan Vektor Virus Inti di Fakultas Kedokteran Universitas Washington.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Menyelidiki lebih dalam tentang asal usul sinar kosmik dengan gerakan Brown geometris

Representasi skema sinar kosmik yang merambat melalui awan magnetik. Kredit: Salvatore Buonocore Model simulasi menyediakan langkah pertama dalam mengembangkan algoritma untuk meningkatkan metode deteksi. Sinar...

Penyerapan elektron terpisah yang ditangkap dalam film

Film menangkap gambar penangkapan elektron terpisah. Kredit: Javier Marmolejo Para peneliti di Universitas Gothenburg telah mengamati penyerapan satu elektron oleh tetesan melayang dengan amplitudo...

Perlindungan probiotik? Bakteri Usus Ditemukan Melindungi Usus Terhadap Virus COVID-19

Para peneliti dari Universitas Yonsei di Korea Selatan telah menemukan bahwa bakteri tertentu yang hidup di usus manusia mengeluarkan obat yang menghambat SARS-CoV-2. ...

Menggali sejarah populasi Neanderthal menggunakan DNA nuklir purba dari sedimen gua

Galeri patung gua di Spanyol utara. Penulis: Javier Trueba - film sains Madrid DNA mitokondria manusia purba telah diekstraksi dari deposit gua, tetapi nilainya...

Sakelar Semikonduktor Berpanduan Laser untuk Komunikasi Generasi Selanjutnya

Insinyur Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah menemukan jenis baru sakelar semikonduktor yang digerakkan oleh laser yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan lebih tinggi pada...

Newsletter

Subscribe to stay updated.