未来或实现“声控”人脑？超声波首次成功控制小鼠脑细胞

近日，有研究人员成功改造了活体小鼠的神经元，使其能够对超声波做出反应，从而使它们能够激活动物运动皮层中的细胞，并控制它们腿部的运动。研究者解释道，他们的技术也适用于培养皿中的人体细胞，并且有朝一日，可能会促进非侵入性起搏器和深部脑刺激传递系统的发展。

几年前，这项研究的作者Sreekanth Chalasani和他在索尔克研究所（Salk Institute）的同事合作，首次开发了使用超声波激活细胞的超声遗传学。在2015年的一篇论文中，该团队揭示了一种名为TRP-4的蛋白质——它通过调节带电离子在细胞膜上的运动，来控制细胞的活化——对超声波产生反应。

因此，他们设计了蛔虫细胞以包含TRP-4，并发现，团队能够使用超声波手动激活这些细胞。然而，当研究人员使用哺乳动物细胞重复实验时，却无法产生相同的结果。

而这次的新研究中，研究者着手确定可用于超声波激活哺乳动物细胞的类似蛋白质。为此，他们对人类胚胎肾(HEK)细胞进行了基因改造，使其表达一系列不同的蛋白质，然后再将它们暴露于超声波脉冲中。

在测试了总共191种不同的候选蛋白质后，研究作者指出，一种名为TRPA1的化合物，始终能引起细胞对超声波的反应。TRPA1有时被称为芥末受体（Wasabi receptor），与TRP-4相似，因为它是一种通道蛋白，这意味着它通过允许钙离子穿过细胞膜而在细胞活化中发挥作用。

在人类中，TRPA1通常会对疼痛、热和刺激物做出反应，引发咳嗽或流泪等反应。当表达这种蛋白质的HEK细胞暴露于超声波时，研究人员检测到钙离子通过通道流入，表明细胞活化。

为了深入研究，研究者对小鼠进行了基因改造，以在其运动皮层的神经元中表达TRPA1。用超声波脉冲这些啮齿动物，可以使它们移动右前肢和后肢，尽管左肢的运动发生的频率较低。

与此同时，研究人员在啮齿动物的声学改变脑细胞中检测到一种称为c-fos蛋白质（这是神经元活动的标志物）的增加，证实这些肢体运动确实是由超声波诱导的这些神经元。

研究者表示，目前已知超声波是安全的，它可以穿过骨骼、肌肉和其他组织，使其成为操纵身体深处细胞的终极工具。

题为Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels的相关研究论文发表在《自然-通讯》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28205-y