2023年5月31日，廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱“廣東省智能院”）丘志海實(shí)驗(yàn)室（多尺度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成像和操控研究組）和香港理工大學(xué)孫雷實(shí)驗(yàn)室在國際著名學(xué)術(shù)期刊《The Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)（美國國家科學(xué)院院刊）在線發(fā)表了題為“The mechanosensitive ion channel Piezo1 contributes to ultrasound neuromodulation”的論文。該論文揭示了超聲Piezo1在經(jīng)顱超聲神經(jīng)調(diào)控中的介導(dǎo)作用，填補(bǔ)了超聲神經(jīng)調(diào)控機(jī)制研究的空白，或?yàn)槌暽窠?jīng)調(diào)控的應(yīng)用和工具開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
超聲神經(jīng)調(diào)控被認(rèn)為是下一代神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，它具有非侵入性、高穿透性、高時(shí)空分辨率以及良好的生物兼容性等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1, 2]。超聲神經(jīng)調(diào)控除了可以用于研究腦功能外，還在多種疾病模型治療中顯示了良好效果。然而，由于其機(jī)制尚不清楚，超聲神經(jīng)調(diào)控的效果有時(shí)難以預(yù)測(cè)，甚至在一些研究中出現(xiàn)了相反的結(jié)果，這顯然阻礙了用超聲神經(jīng)調(diào)控研究腦功能和治療腦疾病的臨床轉(zhuǎn)化[2]。因此，理解超聲神經(jīng)調(diào)控的機(jī)制，對(duì)于精準(zhǔn)，高效，安全的超聲神經(jīng)調(diào)控具有重大意義。
超聲波是一種機(jī)械波，被認(rèn)為是以機(jī)械力的形式影響和調(diào)控神經(jīng)元中機(jī)械敏感性通道從而起作用。團(tuán)隊(duì)前期工作在離體培養(yǎng)神經(jīng)元的研究結(jié)果，支持該觀點(diǎn)，即超聲可以打開機(jī)械敏感通道蛋白，引起鈣離子內(nèi)流，從而調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)（iScience，2019）。在離體體系中超聲波可以通過調(diào)控機(jī)械敏感通道誘發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)受到廣泛的認(rèn)可。
然而目前超聲神經(jīng)調(diào)控的體內(nèi)機(jī)制研究還十分有限。Ellen A. Lumpkin實(shí)驗(yàn)組近期發(fā)現(xiàn)機(jī)械敏感性通道蛋白Piezo2參與了超聲引起的外周感覺神經(jīng)元的動(dòng)作電位的發(fā)生[3]，這一方面驗(yàn)證了機(jī)械敏感通道蛋白在體內(nèi)參與超聲神經(jīng)調(diào)控的重要作用。另一方面，盡管該研究是在外周神經(jīng)系統(tǒng)中行進(jìn)的，該研究成果提示了Piezo家族，目前發(fā)現(xiàn)的最敏感的機(jī)械敏感通道，可能在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的超聲神經(jīng)調(diào)控發(fā)揮作用。本論文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PIEZO1在體內(nèi)的超聲神經(jīng)調(diào)控具有重要作用，特別是在神經(jīng)元中，其對(duì)超聲的響應(yīng)低至0.06 MPa（PNAS 2023），對(duì)超聲的響應(yīng)具有高敏感性。神經(jīng)元Piezo1是體內(nèi)超聲神經(jīng)調(diào)控的關(guān)鍵因素。
廣東省智能院博士后朱杰君為本文第一作者，香港理工大學(xué)博士后冼銓香、侯玄迪為共同第一作者，丘志海研究員與孫雷教授同為論文的通訊作者，該項(xiàng)工作得到了廣東省高水平創(chuàng)新研究院項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)區(qū)域研究開發(fā)計(jì)劃、香港研究資助局一般研究基金和深港澳科技合作計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
[1] Blackmore J, Shrivastava S, Sallet J, et al. Ultrasound Neuromodulation: A Review of Results, Mechanisms and Safety. Ultrasound Med Biol, 2019, 45(7): 1509-1536.
[2] Fomenko A, Neudorfer C, Dallapiazza R F, et al. Low-intensity ultrasound neuromodulation: An overview of mechanisms and emerging human applications. Brain Stimul, 2018, 11(6): 1209-1217.
[3] Hoffman B U, Baba Y, Lee S A, et al. Focused ultrasound excites action potentials in mammalian peripheral neurons in part through the mechanically gated ion channel PIEZO2. Proc Natl Acad Sci U S A, 2022, 119(21): e2115821119.
