I neuroni e la sonotermogenetica

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I neuroni
È il primo lavoro a dimostrare che la sonotermogenetica può controllare il comportamento sollecitando un obiettivo specifico in profondità nel cervello

Un nuovo strumento attiva i neuroni del cervello profondo combinando ultrasuoni e genetica

Disturbi neurologici come il morbo di Parkinson e l’epilessia hanno avuto qualche successo nel trattamento con la stimolazione cerebrale profonda, ma questi richiedono l’impianto di un dispositivo chirurgico. Un team multidisciplinare della Washington University di St. Louis ha sviluppato una nuova tecnica di stimolazione cerebrale utilizzando gli ultrasuoni focalizzati, che è in grado di “accendere” e “spegnere”, tipi specifici di neuroni nel cervello; e controllare con precisione l’attività motoria senza impianto di dispositivi chirurgici.

Il team, guidato da Hong Chen, assistente professoressa di ingegneria biomedica nella McKelvey School of Engineering; e poi anche di radio-oncologia alla School of Medicine, è la prima a fornire prove dirette che mostrano l’attivazione non invasiva, cellula-tipo-specifica dei neuroni nel cervello dei mammiferi, combinando l’effetto di riscaldamento indotto da ultrasuoni e genetica, che hanno chiamato sonotermogenetica. È anche il primo lavoro a dimostrare che la combinazione di ultrasuoni e genetica può controllare in modo robusto il comportamento. Stimolando un bersaglio specifico nel tessuto cerebrale.

I neuroni cerebrali profondi attivati combinando ultrasuoni e genetica

I risultati dei tre anni di ricerca, sono stati pubblicati online in Brain Stimulation 11 maggio 2021. Il progetto è in parte finanziato dal National Institutes of Health’s BRAIN Initiative. 

Il team di esperti comprendeva studiosi sia della McKelvey School of Engineering, sia della School of Medicine. Tra questi Jianmin Cui, professore di ingegneria biomedica. Joseph P. Culver, professore di radiologia, di fisica e di ingegneria biomedica; Mark J. Miller, professore associato di medicina nella divisione di malattie infettive del dipartimento di medicina. Infine, Michael Bruchas, già della Washington University, ora professore di anestesiologia e farmacologia presso l’Università di Washington.

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Il nostro lavoro ha fornito la prova che la sonotermogenetica evoca risposte comportamentali in topi che si muovono liberamente, mentre prende di mira un sito profondo del cervello“, ha detto Chen. “La sonotermogenetica ha il potenziale per trasformare i nostri approcci per la ricerca in neuroscienze e scoprire nuovi metodi per comprendere e trattare i disturbi del cervello umano”.

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Usando un esemplare di topo da laboratorio, Chen e il team hanno consegnato un modello virale contenente canali ionici TRPV1* a neuroni geneticamente selezionati. Poi, hanno consegnato piccole raffiche di calore tramite ultrasuoni focalizzati a bassa intensità ai neuroni selezionati nel cervello tramite un dispositivo indossabile. Il calore, solo pochi gradi più caldo della temperatura corporea, ha attivato il canale ionico TRPV1, che ha agito come un interruttore per accendere o spegnere i neuroni.

“Possiamo spostare il dispositivo a ultrasuoni indossato sulla testa dei topi che si muovono liberamente per mirare a diverse posizioni in tutto il cervello”, ha detto Yaoheng Yang, primo autore dell’articolo e studente laureato in ingegneria biomedica. “Poiché non è invasiva, questa tecnica ha il potenziale per essere scalata a grandi animali e potenzialmente agli esseri umani in futuro”.

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Il lavoro si basa su una ricerca condotta nel laboratorio di Cui che è stata pubblicata su Scientific Reports nel 2016. Cui e il suo team hanno scoperto per la prima volta che gli ultrasuoni da soli possono influenzare l’attività dei canali ionici e potrebbero portare a modi nuovi e non invasivi per controllare l’attività di cellule specifiche. Nel loro lavoro, hanno scoperto che gli ultrasuoni focalizzati hanno modulato le correnti che scorrono attraverso i canali ionici in media fino al 23%, a seconda del canale e dell’intensità dello stimolo. In seguito a questo lavoro, i ricercatori hanno trovato quasi 10 canali ionici con questa capacità, ma tutti sono meccanosensibili, non termosensibili.

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Il lavoro si basa anche sul concetto di optogenetica, la combinazione dell’espressione mirata di canali ionici sensibili alla luce; e la consegna precisa della luce per stimolare i neuroni in profondità nel cervello. Mentre l’optogenetica ha aumentato la scoperta di nuovi circuiti neurali, è limitata nella profondità di penetrazione a causa della dispersione della luce. Quindi richiede l’impianto chirurgico di fibre ottiche.

“La sonotermogenetica ha la promessa di mirare a qualsiasi posizione nel cervello del topo da laboratorio, con risoluzione su scala millimetrica; ma soprattutto senza causare alcun danno al cervello”. Conclude detto Chen.

Lei e il team continuano a ottimizzare la tecnica e a convalidare ulteriormente i loro risultati.

*I TRPV1 costituiscono un sottogruppo distinto di canali cationici non selettivi (Transient Receptor Potential) responsabili di molte risposte cellulari.