該項研究首次在神經元上通過超聲刺激激活機械敏感性離子通道。
腦的奧秘是人類面臨的終極挑戰。大腦由眾多的神經元組成，這些神經元的興奮和抑制，決定了個體的所有活動。如何精確控制特定神經元的活性，是研究神經網絡和行為的關鍵技術，也是揭示大腦奧秘的重要手段。請看中國學者最新研究進展和MIT美國科學院院士Robert Desimone教授的精彩點評。
近年來興起的光遺傳學技術，被稱為是21世紀神經科學領域最引人注目的革新，在猴、鼠、果蠅、線蟲等模式生物中得到廣泛應用。其主要原理是採用基因操作技術將細菌的光敏感蛋白轉入到特定類型的神經元中進行表達，並通過不同波長的光照刺激光敏感蛋白，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。但是在哺乳動物中，光遺傳學技術需要通過顱骨手術將特定波長的光線引入腦中，這種創傷性為其在活體的應用帶來一定的侷限。因此，越來越多的研究人員將目光轉向其他無損傷的方法，比如超聲。
超聲是一種安全的刺激方式，可以無損傷的穿透深入大腦或其他組織內部，並且可以通過聚焦穫得精確定位。近日，浙江大學醫學院李月舟課題組和中科院深圳先進研究院鄭海榮課題組合作在Nano Letters期刊發表了題為Ultrasonic control of neural activity through activation of mechanosensitive channel MscL的研究論文（圖1）。該項研究將超聲輻射力和機械敏感性離子通道結合起來，首次在神經元上通過超聲刺激激活機械敏感性離子通道，並進而精確控制神經元的興奮性。該成果開拓了超聲在腦科學研究中的新方向，為超聲遺傳學技術的進一步發展奠定了基礎，具有重要的理論意義和應用價值。
圖1: 超聲刺激引起表達於神經元的機械敏感性離子通道MscL（圖中黃色所示）的開放，導致離子跨膜運輸（圖中綠色箭頭所示），改變神經元膜電位，誘發神經衝動（圖中紅色所示動作電位）。
由於細胞對超聲的響應能力有限，為了達到通過超聲精確控制神經元的目的，需要找到一種介質既可以很好的響應超聲刺激，又可以在神經元表達並賦予神經元靈敏的超聲敏感性。考慮到超聲的機械效應，機械敏感性離子通道是一個很好的選擇。機械敏感性離子通道是近年來發現的一種新型離子通道，有別於傳統的電壓敏感，以及配體門控類型的離子通道，它感受細胞形變等方式導致的膜張力的變化而開放，引起細胞內外離子的跨膜運輸，參與介導眾多的生命活動，其功能愈來愈受到重視。浙江大學醫學院李月舟課題組長期以來致力機械敏感性離子通道開放機制和功能，中科院深圳先進研究院鄭海榮課題組掌握了獨特的超聲輻射力神經調控技術，在超聲神經調控儀器研製方面積累了豐富的經驗，兩者的合作促成了該項研究。
實驗中，課題組選擇了來自細菌的機械敏感性離子通道MscL。MscL具有作為納米開關的天然優勢。它結構簡單，只有136個氨基酸，容易在真核生物表達；它自身可以直接被膜張力所激活，並且不需要其它成分的參與；它開放形成30左右的巨大孔徑，通透效率高；它不和其它蛋白相互作用，不會干擾細胞的其它功能。課題組首先構建了重組MscL基因的病毒，然後通過病毒感染在原代培養的大鼠神經元中表達MscL通道。結果表明MscL可以在神經元上功能性表達，並對機械刺激保持敏感 （圖2）。
圖2：通過病毒感染技術在原代培養的神經元上表達的機械敏感性離子通道MscL具有完整的功能，可用很好的響應機械刺激。
圖3：（a）超聲神經刺激芯片以及（b）小動物超聲刺激系統。
利用超聲刺激芯片，研究表達有MscL的神經元對超聲刺激的響應。實際上，只要達到一定的刺激強度，神經元對超聲都會有所響應。因此，為了做到精確的超聲神經調控，一個挑戰是如何降低背景神經元的超聲響應，如何只讓特定神經元產生超聲響應。得益於對MscL開放機制的長期研究，通過優化改造，課題組構建了對機械刺激超級敏感的突變體通道I92L-MscL。這使得我們可以用盡可能低的超聲強度，去激活I92L-MscL並興奮神經元，而沒有表達I92L-MscL的神經元卻不會被興奮，從而提高超聲神經調控的安全性、靈敏度和信噪比。的確，在實驗中觀察到表達有I92L-MscL的神經元可以被低至0.25 MPa的超聲刺激所興奮，而同時背景神經元卻沒有任何響應（圖4）。這一強度大大低於目前認為的有可能對腦產生損傷的超聲刺激強度（~1 MPa）。
圖4：優化改造獲得的MscL突變體I92L，具有超敏感的機械敏感性，可以響應超聲刺激並誘發神經元興奮性。
圖5：脈衝超聲刺激通過激活I92L-MscL通道精確控制神經元的興奮性。
Robert Desimone教授
Director, McGovern Institute, Doris and Don Berkey Professor, Brain and Cognitive Sciences, 美國科學院院士, 麻省理工學院 Robert Desimone教授對此工作進行了點評：
The development of methods to use light to control the firing of neurons in the brain has revolutionized neuroscience research. But light based methods generally require a probe implanted in the brain to deliver the light. If one could use a noninvasive source of energy, such as ultrasound, to control neurons, this would have major research and clinical applications. The results of Jia Ye et al with ultrasound look extremely promising, and I am sure they will stimulate more research to test the use of ultrasound in many neural applications, both basic and clinical.
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