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来自研究机构

超声波脑刺激如何治疗脑部疾病?

在分子水平上阐明了超声对星形胶质细胞神经调节的机制

日期:
2019年10月8日
来源:
基础科学研究所
简介:
科学家发现,大脑星形胶质细胞中表达的钙通道是lilfu诱导的运动皮层神经元活动(如尾巴运动)的高度敏感靶标。
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就像太阳光可以被放大镜聚焦一样,超声波光束也可以被聚焦;不是为了点火,而是为了瞄准一个特定的目标。超声波脉冲能够穿过身体组织等障碍物,而不会像传统装置植入和电刺激那样带来风险。聚焦超声技术作为一种非侵入性的方法,可以针对特定的大脑区域,是一种治疗运动障碍的新方法,如帕金森病。具体来说,低强度、低频超声(LILFU,非热功率水平从30到500 mW/cm2)正在成为一种高度变革性的方法。LILFU具有高空间分辨率、深穿透性、与MRI结合使用、低成本实施和持久的神经调节作用,没有明显的副作用,如引起局部组织环境温度变化的热反应。最近发现LILFU可以调节神经元活动。尽管动物试验已经证明,LILFU增加了运动通路中的神经活动,但其确切的工作原理尚未确定。

在C. Justin Lee博士的带领下,韩国大田基础科学研究所(IBS)认知与社会性中心的研究人员已经确定了lilfu介导的神经调节的机制。他们发现TRPA1(瞬时受体电位锚蛋白1),一种在大脑星形胶质细胞中表达的钙通道,是LILFU调节的神经调节开始的地方,通过接收LILFU信号并将其转化为电信号。以前的研究只关注神经膜内的机械敏感离子通道,而不考虑星形胶质细胞等非神经元细胞。由于LILFU通过在质膜上施加机械压力波,在神经元和星形胶质细胞中诱导Ca2+反应,研究小组测试了星形胶质细胞Ca2+通道,发现TRPA 1是LILFU诱导的运动皮层神经元活动(如尾巴运动)的高度敏感靶标。

研究小组展示了LILFU刺激神经元活动导致预期行为(即尾巴运动)的途径;响应LILFU信号,TRPA1打开,允许Ca2+进入星形胶质细胞。Ca2+的增加通过Best1诱导星形胶质细胞释放谷氨酸。作为一种兴奋性神经递质,释放的谷氨酸通过激活NMDAR来促进神经元钙和放电。这反过来又带来了突触可塑性。这些突触强度的适应性变化与LILFU刺激有关,这是一种由运动皮层兴奋性突触传递增强引起的尾部运动。

在小鼠实验中,研究人员用LILFU刺激野生型(WT)和TRPA1敲除型(KO)小鼠的体内运动皮层,并检查尾部运动。与WT相比,TRPA1 KO的尾部运动明显减少,表明TRPA1介导了lilfu诱导的神经调节和运动行为。他们还使用一种基因沉默剂(一种小的发夹形成干扰RNA (shRNA))抑制TRPA 1的表达,以观察TRPA 1是否在lilfu刺激的神经元活动中起关键作用。研究人员发现,与对照组相比,lilfu诱导的trpa1沉默基因的神经元放电明显减少。我们还证实,TRPA1或Best1的基因沉默可以消除lilfu诱导的神经元放电率100%的增强。这些结果表明,LILFU通过Ca2+激活星形胶质细胞TRPA1和谷氨酸释放Best1,靶向突触NMDAR,导致神经元放电。

值得注意的是,本研究表明星形胶质细胞中存在高度敏感的机械通道,但在神经元中不存在,这使得星形胶质细胞成为LILFU的细胞靶点。作为非热方法使用,LILFU也没有组织损伤。突触可塑性不仅与运动有关,也与认知有关。因此,TRPA1-Best1-NMDAR通路的机械刺激也可能在生理条件之外的病理条件下有用,如痴呆、脑震荡和抑郁症。除了目前流行的光遗传学和化学遗传学外,使用TRPA1作为高灵敏度传感器和传感器的声遗传学为细胞类型特异性激活/抑制开辟了新的途径。当超声刺激与其他钙激活通道或钙依赖信号分子结合时,也能促进长期的可塑性。该研究的通讯作者C. Justin Lee博士解释说:“我们在这项研究中开发的见解和工具应该有助于未来优化LILFU作为人类最无创和低成本的神经调节方法之一。”

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故事来源:

提供的材料基础科学研究所注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。


期刊引用

  1. 吴秀珍、李正武、金贤范、李正杓、韩成民、裴振英、洪圭相、高武铉、权在、黄恩相、禹东浩、尹仁灿、赵一珠、裴永哲、李顺坤、沈在完、朴志浩、C. Justin Lee星形胶质细胞TRPA1的超声神经调节当代生物学爱博网投领导者, 2019;DOI:10.1016 / j.cub.2019.08.021

引用此页

基础科学研究所。“超声波脑刺激如何治疗脑部疾病?”在星形胶质细胞的分子水平上阐明了超声神经调节的机制。《科学日报》。《科学日报》,2019年10月8日。< www.koonmotors.com/releases/2019/10/191008115918.htm >。
基础科学研究所。(2019年10月8日).超声脑刺激如何治愈脑部疾病?在分子水平上阐明了超声对星形胶质细胞神经调节的机制。《科学日报》.2023年6月22日检索自www.koonmotors.com/releases/2019/10/191008115918.htm
基础科学研究所。“超声波脑刺激如何治疗脑部疾病?”在星形胶质细胞的分子水平上阐明了超声神经调节的机制。《科学日报》。www.koonmotors.com/releases/2019/10/191008115918.htm(2023年6月22日访问)。

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