Das neue Feld der sonogenetics verwendet Schallwellen, um das Verhalten von Gehirnzellen

Was ist, wenn Sie nicht operiert werden müssen, um die Implantation eines Herzschrittmachers auf ein insuffizientes Herz? Was ist, wenn Sie die Kontrolle Ihrer Blutzuckerwerte, ohne eine Injektion von insulin, oder zu mildern den Ausbruch einer Beschlagnahme ohne auch nur einen Knopf drücken?

Ich und ein team von Wissenschaftler in meinem Labor am Salk Institute sind, die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Entwicklung einer neuen Technologie, bekannt als sonogenetics, die Fähigkeit zur nichtinvasiven Kontrolle der Aktivität von Zellen mit Hilfe von Schall.

Von Licht bis Ton

Ich bin ein Neurowissenschaftler daran interessiert, zu verstehen, wie das Gehirn erkennt Veränderungen der Umwelt und reagiert. Neurowissenschaftler sind immer auf der Suche nach Möglichkeiten, um Einfluss Neuronen im lebenden Gehirn, so dass wir analysieren die Ergebnisse und verstehen, wie das Gehirn funktioniert und wie man besser behandeln Erkrankungen des Gehirns.

Die Erstellung dieser spezifischen Veränderungen erfordert die Entwicklung neuer Werkzeuge. In den letzten zwei Jahrzehnten der go-to-Werkzeug für Forscher in meinem Feld wurde die optogenetik, eine Technik, die entwickelt Gehirn-Zellen in Tieren werden durch Licht gesteuert. Dieses Verfahren beinhaltet das einsetzen einer optischen Faser, die tief in das Tier, das Gehirn zu liefern Licht zum Ziel-region.

Wenn diese Nervenzellen ausgesetzt sind blue light, the light-sensitive protein aktiviert wird, so dass diejenigen Zellen des Gehirns miteinander kommunizieren, und ändern Sie das Tier-Verhalten. Zum Beispiel, Tiere mit Parkinson-Krankheit kann geheilt werden, Ihre unwillkürliche zittern von Licht auf das Gehirn-Zellen wurden speziell entwickelt, macht Sie lichtempfindlicher. Aber der offensichtliche Nachteil ist, dass dieses Verfahren hängt davon ab, chirurgisch Implantation ein Kabel in die Gehirn—eine Strategie, die nicht übersetzt werden in die Menschen.

Mein Ziel war es gewesen, herauszufinden, wie zu manipulieren das Gehirn ohne die Verwendung von Licht.

Sound control

Ich entdeckte, dass Ultraschall—Schallwellen, die über den Bereich des menschlichen Gehörs, die nicht invasiv und sicher—ist eine großartige Möglichkeit, um die Kontrolle Zellen. Da klingen ist eine form der mechanischen Energie, ich dachte, dass wenn Gehirnzellen gemacht werden könnten, mechanisch empfindlich, dann könnten wir ändern Sie Sie mit Ultraschall. Diese Forschung führte uns zu der Entdeckung der ersten natürlich vorkommenden protein mechanischen Detektor, der aus Zellen des Gehirns reagieren auf Ultraschall.

Unsere Technologie funktioniert in zwei Stufen. Zuerst stellen wir das neue genetische material in die Fehlfunktion der Gehirn-Zellen mit einem virus als eine Lieferung-Gerät. Diese enthält Anweisungen für diese Zellen, um die Ultraschall-responsive Proteine.

Der nächste Schritt ist das ausstrahlen von Ultraschall-Pulse von einem Gerät außerhalb des Körpers des Tieres targeting der Zellen mit dem sound-sensitive Proteine. Der Ultraschall-pulse aus der Ferne aktiviert die Zellen.

Nachweis in worms

Wir waren die ersten, die zeigen, wie sonogenetics kann zur Aktivierung von Nervenzellen in einem mikroskopischen Wurm namens Caenorhabditis elegans.

Mit Hilfe genetischer Techniken, die wir identifiziert ein natürlich vorkommendes protein, das sogenannte TRP-4—die ist in einigen der Wurm Neuronen, die empfindlich auf Ultraschall-Druck-änderungen. Schalldruck Wellen, die auftreten, in den Ultraschall-Bereich sind über die normale Schwelle für das menschliche Gehör. Einige Tiere, darunter Fledermäuse, Wale und sogar Motten, können kommunizieren, diese Ultraschall-Frequenzen, sondern die Frequenzen, die verwendeten in unseren Experimenten über das hinausgehen, was selbst diese Tiere erkennen kann.

Mein team und ich gezeigt, dass Neuronen, die mit den TRP-4-protein empfindlich auf Ultraschall-Frequenzen. Die Schallwellen bei diesen Frequenzen verändert der Wurm das Verhalten. Wir gentechnisch veränderte zwei von den Wurm-302 Neuronen, und fügte hinzu, die TRP-4 gen, dass wir wussten aus früheren Studien war beteiligt mit mechanosensation.

https://www.youtube.com/embed/vLOqvBG6x-E?color=white

Wir zeigten, wie die Ultraschall-Impulse könnte die Würmer die Richtung ändern, als wenn wir wurden mit einem Wurm Fernbedienung. Diese Beobachtungen haben bewiesen, dass wir verwenden Ultraschall als Werkzeug zur Untersuchung von Hirnfunktionen im lebenden Tier ohne einfügen etwas in das Gehirn.

Die Vorteile von sonogenetics

Diese erste Feststellung war die Geburtsstunde einer neuen Technik, bietet Einblicke in die Funktionsweise der Zellen kann angeregt werden durch Klang. Darüber hinaus glaube ich, dass unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sonogenetics kann angewendet werden, um zu manipulieren eine Vielzahl von Zelltypen und zellulären Funktionen.

C. elegans war ein guter Ausgangspunkt für die Entwicklung dieser Technologie, denn das Tier ist relativ einfach, mit nur 302 Neuronen. Dieser, TRP-4 ist in nur acht Neuronen. So können wir die Kontrolle über andere Neuronen, die durch die erste Zugabe von TRP-4 und dann die Leitung der Ultraschall genau auf diese speziellen Neuronen.

Aber die Menschen, im Gegensatz zu den Würmern, nicht das die TRP-4 gen. Also mein plan ist die Einführung der sound-sensitive protein in die spezifische menschliche Zellen, die wir Steuern möchten. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass der Ultraschall nicht stören, alle anderen Zellen im menschlichen Körper.

Es ist derzeit nicht bekannt, ob andere Proteine als TRP-4 sind empfindlich auf Ultraschall. Die Identifizierung solcher Proteine, die, wenn Sie vorhanden sind, ist ein Bereich von intensiven Studien in meinem Labor und im Feld.

Der beste Teil über sonogenetics ist, dass es nicht erforderlich ist, ein Gehirn-Implantat. Für sonogenetics, verwenden wir künstlich manipulierte Viren, die nicht in der Lage sind zu replizieren—zu liefern genetisches material von Gehirnzellen. Dies ermöglicht den Zellen zur Herstellung von sound-sensitive Proteine. Diese Methode wurde verwendet, um zu liefern genetisches material von menschlichem Blut und Herzmuskel-Zellen in Schweine.

Sonogenetics, aber immer noch in den sehr frühen Stadien der Entwicklung, bietet eine neuartige therapeutische Strategie für die verschiedenen Bewegungs-bezogenen Erkrankungen wie Parkinson, Epilepsie und Dyskinesie. Bei all diesen Krankheiten, bestimmten Zellen des Gehirns nicht mehr funktionieren und verhindern, dass normale Bewegungen. Sonogenetics ermöglichen könnte, die ärzte zu aktivieren oder zu deaktivieren Gehirnzellen an einem bestimmten Ort oder Zeit, und behandeln diese Bewegungsstörungen ohne Gehirn-Chirurgie.

https://www.youtube.com/embed/7lP35rsQu8c?color=white

Für diese Arbeit, die Zielregion des Gehirns werden müssen, mit dem virus infiziert tragen die Gene für die sound-sensitive protein. Dies wurde in Mäusen, aber noch nicht in Menschen. Gen-Therapie ist immer besser und präziser, und ich bin der Hoffnung, dass andere Forscher haben herausgefunden, wie Sie dies tun, indem die Zeit, die wir bereit sind mit unseren sonogenetic Technologie.

Erweiterung sonogenetics

Wir erhalten wesentliche Unterstützung Voraus, diese Technologie, die Kraftstoff die erste Studie, und schaffen ein interdisziplinäres team.

Mit zusätzlichen Mitteln von der “ Defense Advanced Research Projects Agency ElectRx-Programm, konzentrieren wir uns auf die Suche nach Proteinen, die uns helfen können „turn off“ – Neuronen. Wir haben kürzlich Proteine entdeckt, die manipuliert werden können, zu aktivieren Neuronen (unveröffentlichte Arbeit). Dies ist entscheidend für die Entwicklung einer therapeutischen Strategie, die verwendet werden können zur Behandlung von zentralen Erkrankungen des Nervensystems wie Parkinson.

Unser team arbeitet auch auf den ausbau der sonogenetic Technologie. Wir haben nun beobachtet, dass bestimmte Pflanzen, wie die „touch me not“ (Mimosa pudica), sind empfindlich auf Ultraschall. So wie die Blätter dieser pflanze sind bekannt Zusammenbruch und Falten Sie Sie nach innen, wenn Sie berührt oder erschüttert, anlegen von Impulsen von Ultraschall zu einer isolierten Zweig produziert die gleiche Antwort. Schließlich entwickeln wir eine andere Methode, um zu testen, ob Ultraschall können Einfluss auf metabolische Prozesse wie insulin-Sekretion von pankreatischen Zellen.

Sonogenetics könnte eines Tages Medikamenten umgehen, entfernen Sie die Notwendigkeit für invasive Gehirn-Operationen und nützlich sein für die Bedingungen reichen von post-traumatische Belastungsstörung und Bewegungsstörungen zu chronischen Schmerzen. Das große Potenzial für sonogenetics ist, dass diese Technologie angewendet werden könnten, zu kontrollieren, nahezu jede Art von Zelle: von insulin-produzierenden Zellen in der Bauchspeicheldrüse zur Stimulation eines Herzens.