Yaoheng Yang: TRPV1-Mediated Sonogenetics for Noninvasive and Cell-Type-Specific Control of Neurons

Summary

Jacob Young介绍了在快讯会上发表的最新研究，重点是通过声遗传学技术实现对神经元、神经回路和小鼠行为的非侵入性、细胞类型选择性控制。该技术结合超声波和基因工具，能够激活特定神经元，而不影响周围的野生型神经元。通过热敏离子通道TRPV1，实验展示了声遗传学在活体内有效选择性地激活神经元，调控大脑回路，并在自由活动小鼠中引发特定行为。这一研究为未来深入研究脑功能联结提供了有力工具。

Takeaways

• 😀 该研究展示了一种新的非侵入性神经调控技术——声遗传学，结合超声波和遗传工具来选择性地控制特定类型的神经元。
• 😀 实验中，通过病毒载体转染神经元，使其表达对超声波敏感的离子通道，超声波可激活这些转染的神经元，而不会影响周围的野生型神经元。
• 😀 现有的声遗传学技术基于机械敏感性离子通道，而该研究首次提出使用热敏性离子通道 TRPV1 开发新的声遗传学方法。
• 😀 研究表明，超声波通过产生微小的热效应激活 TRPV1 表达的神经元，从而实现选择性的神经调控。
• 😀 通过双光子显微镜和快速超声换能器系统，研究团队首次在活体小鼠大脑中展示了直接的单细胞神经元活动成像。
• 😀 实验结果显示，只有表达 TRPV1 的神经元对超声波产生反应，而未表达 TRPV1 的野生型神经元则无反应，证实了声遗传学的细胞类型选择性。
• 😀 在多次小鼠实验中，声遗传学的神经元激活成功率高达 75%，并且通过组织学检查证明该方法对神经元没有损伤。
• 😀 研究还展示了声遗传学不仅可以激活特定神经元，还能通过功能成像激活全脑的神经回路，并改变大脑的全局网络连接。
• 😀 通过在自由活动的小鼠上安装可穿戴超声换能器，研究团队成功利用声遗传学控制了小鼠的运动行为，尤其是诱发了特定的旋转行为。
• 😀 该研究为声遗传学在神经回路研究及行为控制中的应用提供了直接证据，展示了其在活体神经元选择性调控和全脑功能连接研究中的巨大潜力。

Q & A

什么是声遗传学（sonogenetics）技术？

声遗传学是一种结合超声波和遗传工具的技术，用于非侵入性和细胞类型选择性的神经调控。通过遗传改造特定类型的神经元，使其对超声波敏感，从而可以在不影响其他神经元的情况下激活这些改造过的神经元。

声遗传学如何实现对神经元的选择性调控？

首先，野生型神经元通过病毒载体转染，使其表达对超声波敏感的离子通道。当超声波作用时，这些特定的转染神经元能够被激活，而周围的未转染神经元不会受到影响。

声遗传学技术的关键突破是什么？

声遗传学技术的一个关键突破是在2015年首次提出，使用机械敏感的离子通道（如TRP4）在秀丽隐杆线虫中通过超声波和微泡激活神经元。

研究中使用了哪种离子通道来进行热敏调控？

本研究提出使用热敏离子通道TRPV1来进行声遗传学调控，并假设TRPV1是超声波敏感的离子通道，通过超声波引起的加热来激活转染的神经元。

如何验证声遗传学对单个神经元的选择性调控？

研究人员开发了一种结合双光子显微镜和环形快速超声换能器的系统，可以直接在小鼠大脑中成像和观察单个神经元的活动，结果显示只有表达TRPV1的神经元在超声波刺激下被激活，而未表达TRPV1的神经元没有反应。

该实验结果如何证明声遗传学的安全性？

通过对神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和凋亡细胞的组织学染色，实验没有发现超声波对细胞造成任何损害，从而证明声遗传学在实验条件下是安全的。

声遗传学如何激活全脑神经网络？

研究人员使用功能光学成像技术观察到，在表达TRPV1的小鼠中，超声波可以成功激活目标脑区，而未表达TRPV1的小鼠则没有观察到同样的效果。这证明声遗传学可以激活全脑神经网络的特定区域。

实验如何验证声遗传学对小鼠行为的控制？

研究设计了可穿戴的超声换能器来刺激小鼠纹状体，这个脑区控制小鼠的旋转行为。结果显示，超声波能够诱发表达TRPV1的小鼠产生旋转行为，而对照组小鼠几乎没有反应。

通过降低声压对实验结果的影响是什么？

当降低超声的声压时，TRPV1小鼠的神经元激活成功率和旋转速度都明显下降，表明声压对声遗传学调控的效果有显著影响。

该研究的主要结论是什么？

该研究证明了通过热敏TRPV1离子通道的声遗传学可以选择性地激活神经元、神经回路，并能够在自由活动的小鼠中诱发特定的行为反应。这项技术为神经科学研究提供了强大的工具。