2022年8月10日，廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院（以下簡稱廣東省智能院）丘志海實驗室（多尺度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成像和操控研究組）與香港理工大學(xué)孫雷實驗室在腦刺激和腦調(diào)控領(lǐng)域頂級期刊《腦刺激》（Brain stimulation）在線發(fā)表題為“Sonognetics: recent advances and future directions”的綜述論文。該論文從原理、細胞水平和動物水平研究對超聲遺傳學(xué)技術(shù)進行了梳理和總結(jié)，對下一步需要解決的問題做了展望。
超聲遺傳學(xué)借鑒光遺傳學(xué)策略，利用超聲波激活超聲敏感通道蛋白，從而控制特定神經(jīng)元的活動。超聲波是一種頻率為亞 MHz 到幾 MHz的機械波，可以無創(chuàng)地穿過生物組織。因為它的安全性及高時空分辨，超聲波長期以來被用于成像。越來越多的證據(jù)表明低強度超聲會產(chǎn)生各種生物效應(yīng)，為癌癥治療、骨愈合、基因和藥物輸送以及神經(jīng)調(diào)控等新應(yīng)用鋪平了道路。
聲遺傳學(xué)的第一個部件是超聲波。由壓電材料在一定頻率和電壓下驅(qū)動產(chǎn)生的超聲波可以通過引發(fā)高達~20 nm的粒子位移在彈性粘性介質(zhì)中傳播。超聲波的傳播可以主動或被動地形成基于駐波、吸收和組織聲學(xué)特性梯度的聲壓梯度，并向介質(zhì)引入稱為超聲輻射力的非零凈力。利用聲輻射力來激活神經(jīng)元的優(yōu)點是顯而易見的：1) 在生物系統(tǒng)中使用超聲波是安全的；2) 超聲波的傳播快速且易于控制，尤其是使用陣列系統(tǒng)，其中可以對超聲焦點進行編程，以根據(jù)需要創(chuàng)建特定的時空模式。超聲波可以作為一種獨特的激發(fā)源，以定義的時空模式控制整個大腦的神經(jīng)活動。
聲遺傳學(xué)的第二個組成部分是超聲敏感通道蛋白。 2008 年首次發(fā)現(xiàn)超聲波可以通過激活膜通道來誘導(dǎo)突觸傳遞。超聲波對神經(jīng)元的調(diào)控機制假設(shè)是，壓力可以使細胞膜變形以間接產(chǎn)生通道結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化，或直接作用于通道成分以產(chǎn)生跨膜的離子梯度。最近的一項研究表明，當超聲波使細胞膜偏轉(zhuǎn)時，它通過激活機械敏感離子通道來誘導(dǎo)神經(jīng)去極化。最近，多種通道類型被證明可以在離體條件下被超聲激活，例如雙孔鉀（K2P）家族（TREK-1，TREK-2和TRAAK），壓電家族（Piezo1和 Piezo2）和 TRP 家族（TRPA1、TRPC1、TRPP2、TRPM4 和 TRPV1）。盡管尚不清楚哪些通道起主導(dǎo)作用，但這些發(fā)現(xiàn)為使用機械敏感離子通道作為聲控開關(guān)開發(fā)聲遺傳學(xué)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
文章探討了超聲遺傳學(xué)的機制，著重對基于MscL-G22s、Prestin以及TRP通道的超聲遺傳學(xué)研究進行了深入的探討。對比了各個技術(shù)的優(yōu)缺點，及其特性，包括時空分辨率、選擇性和特異性等。目前的挑戰(zhàn)包括：存在可能的聽覺干擾問題、安全性問題以及尋找抑制性超聲遺傳學(xué)通道蛋白等。將來的方向包括：開拓計算超聲遺傳學(xué)、無創(chuàng)超聲敏感通道蛋白的特異性表達以及拓展其在非人靈長類中的應(yīng)用等。
基于MscL-G22s的超聲遺傳學(xué)技術(shù)
廣東省智能院實習(xí)生劉天燚為本文第一作者，廣東省智能院的丘志海研究員和香港理工大學(xué)的孫雷教授為論文的共同通訊作者，廣東省智能院為第一通訊單位。該項工作得到了斯坦福大學(xué)Mihyun Choi博士和西安電子科技大學(xué)費春龍教授的合作和支持，并獲得廣東省高水平創(chuàng)新研究院項目資助以及香港科技創(chuàng)新局等多項基金的支持。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X22002066
