腦的奧秘是人類面臨的終極挑戰(zhàn)。大腦由眾多的神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元的興奮和抑制，決定了個體的所有活動。如何精確控制特定神經(jīng)元的活性，是研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和行為的關(guān)鍵技術(shù)，也是揭示大腦奧秘的重要手段。請看中國學者最新研究進展和MIT美國科學院院士Robert Desimone教授的精彩點評。

近年來興起的光遺傳學技術(shù)，被稱為是21世紀神經(jīng)科學領(lǐng)域最引人注目的革新，在猴、鼠、果蠅、線蟲等模式生物中得到廣泛應(yīng)用。其主要原理是采用基因操作技術(shù)將細菌的光敏感蛋白轉(zhuǎn)入到特定類型的神經(jīng)元中進行表達，并通過不同波長的光照刺激光敏感蛋白，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。但是在哺乳動物中，光遺傳學技術(shù)需要通過顱骨手術(shù)將特定波長的光線引入腦中，這種創(chuàng)傷性為其在活體的應(yīng)用帶來一定的局限。因此，越來越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向其他無損傷的方法，比如超聲。

超聲是一種安全的刺激方式，可以無損傷的穿透深入大腦或其他組織內(nèi)部，并且可以通過聚焦獲得精確定位。近日，浙江大學醫(yī)學院李月舟課題組和中科院深圳先進研究院鄭海榮課題組合作在Nano Letters期刊發(fā)表了題為Ultrasonic control of neural activity through activation of mechanosensitive channel MscL的研究論文（圖1）。該項研究將超聲輻射力和機械敏感性離子通道結(jié)合起來，首次在神經(jīng)元上通過超聲刺激激活機械敏感性離子通道，并進而精確控制神經(jīng)元的興奮性。該成果開拓了超聲在腦科學研究中的新方向，為超聲遺傳學技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

圖1: 超聲刺激引起表達于神經(jīng)元的機械敏感性離子通道MscL（圖中黃色所示）的開放，導致離子跨膜運輸（圖中綠色箭頭所示），改變神經(jīng)元膜電位，誘發(fā)神經(jīng)沖動（圖中紅色所示動作電位）。

由于細胞對超聲的響應(yīng)能力有限，為了達到通過超聲精確控制神經(jīng)元的目的，需要找到一種介質(zhì)既可以很好的響應(yīng)超聲刺激，又可以在神經(jīng)元表達并賦予神經(jīng)元靈敏的超聲敏感性。考慮到超聲的機械效應(yīng)，機械敏感性離子通道是一個很好的選擇。機械敏感性離子通道是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型離子通道，有別于傳統(tǒng)的電壓敏感，以及配體門控類型的離子通道，它感受細胞形變等方式導致的膜張力的變化而開放，引起細胞內(nèi)外離子的跨膜運輸，參與介導眾多的生命活動，其功能愈來愈受到重視。浙江大學醫(yī)學院李月舟課題組長期以來致力機械敏感性離子通道開放機制和功能，中科院深圳先進研究院鄭海榮課題組掌握了獨特的超聲輻射力神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，在超聲神經(jīng)調(diào)控儀器研制方面積累了豐富的經(jīng)驗，兩者的合作促成了該項研究。

實驗中，課題組選擇了來自細菌的機械敏感性離子通道MscL。MscL具有作為納米開關(guān)的天然優(yōu)勢。它結(jié)構(gòu)簡單，只有136個氨基酸，容易在真核生物表達；它自身可以直接被膜張力所激活，并且不需要其它成分的參與；它開放形成30?左右的巨大孔徑，通透效率高；它不和其它蛋白相互作用，不會干擾細胞的其它功能。課題組首先構(gòu)建了重組MscL基因的病毒，然后通過病毒感染在原代培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)元中表達MscL通道。結(jié)果表明MscL可以在神經(jīng)元上功能性表達，并對機械刺激保持敏感 （圖2）。

圖2：通過病毒感染技術(shù)在原代培養(yǎng)的神經(jīng)元上表達的機械敏感性離子通道MscL具有完整的功能，可用很好的響應(yīng)機械刺激。

在基金委重大科研儀器支持下，中國科學院深圳先進院鄭海榮課題組設(shè)計開發(fā)了一系列跨尺度超聲神經(jīng)調(diào)控工具（圖3）。超聲輻射力神經(jīng)刺激芯設(shè)計基于不同主頻叉指換能器指條寬度，形狀，對數(shù)和聲孔徑尺寸，通過標準微納加工技術(shù)光刻，濺射叉指換能器電極，制備微型聲場可調(diào)超聲神經(jīng)刺激芯片，產(chǎn)生高強度局域聲場及超聲輻射力可有效作用于神經(jīng)元細胞。該芯片可與鈣成像、膜片鉗等生物學手段相兼容，實時監(jiān)測超聲誘發(fā)的生物效應(yīng)，為超聲神經(jīng)調(diào)控治療神經(jīng)類疾病提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。同時研制的動物超聲神經(jīng)刺激系統(tǒng)可對深部腦核團和神經(jīng)環(huán)路開展無創(chuàng)、動態(tài)和網(wǎng)絡(luò)式的神經(jīng)刺激與調(diào)控。該技術(shù)和工具的研制可在腦疾病的研究、神經(jīng)科學基礎(chǔ)研究及其相關(guān)領(lǐng)域科學廣泛應(yīng)用。

圖3：（a）超聲神經(jīng)刺激芯片以及（b）小動物超聲刺激系統(tǒng)。

利用超聲刺激芯片，研究表達有MscL的神經(jīng)元對超聲刺激的響應(yīng)。實際上，只要達到一定的刺激強度，神經(jīng)元對超聲都會有所響應(yīng)。因此，為了做到精確的超聲神經(jīng)調(diào)控，一個挑戰(zhàn)是如何降低背景神經(jīng)元的超聲響應(yīng)，如何只讓特定神經(jīng)元產(chǎn)生超聲響應(yīng)。得益于對MscL開放機制的長期研究，通過優(yōu)化改造，課題組構(gòu)建了對機械刺激超級敏感的突變體通道I92L-MscL。這使得我們可以用盡可能低的超聲強度，去激活I(lǐng)92L-MscL并興奮神經(jīng)元，而沒有表達I92L-MscL的神經(jīng)元卻不會被興奮，從而提高超聲神經(jīng)調(diào)控的安全性、靈敏度和信噪比。的確，在實驗中觀察到表達有I92L-MscL的神經(jīng)元可以被低至0.25 MPa的超聲刺激所興奮，而同時背景神經(jīng)元卻沒有任何響應(yīng)（圖4）。這一強度大大低于目前認為的有可能對腦產(chǎn)生損傷的超聲刺激強度（~1 MPa）。

圖4：優(yōu)化改造獲得的MscL突變體I92L，具有超敏感的機械敏感性，可以響應(yīng)超聲刺激并誘發(fā)神經(jīng)元興奮性。

同時，課題組對超聲刺激模式進行了優(yōu)化。通過程序化的脈沖刺激可以精確控制表達有I92L-MscL的神經(jīng)元的興奮性，每次超聲刺激均誘發(fā)一次動作電位，最高可以形成5 Hz的神經(jīng)沖動（圖5）。該研究結(jié)果為后續(xù)的活體超聲遺傳學奠定了基礎(chǔ)。并有望通過進一步開發(fā)的多面陣、多焦點的深部腦刺激超聲調(diào)控儀器解析神經(jīng)環(huán)路，并對帕金森癥、抑郁癥等腦疾病提供新的研究，甚至是治療的有效新工具。

圖5：脈沖超聲刺激通過激活I(lǐng)92L-MscL通道精確控制神經(jīng)元的興奮性。

Robert Desimone教授

Director, McGovern Institute, Doris and Don Berkey Professor, Brain and Cognitive Sciences, 美國科學院院士, 麻省理工學院 Robert Desimone教授對此工作進行了點評：

The development of methods to use light to control the firing of neurons in the brain has revolutionized neuroscience research. But light based methods generally require a probe implanted in the brain to deliver the light. If one could use a noninvasive source of energy, such as ultrasound, to control neurons, this would have major research and clinical applications. The results of Jia Ye et al with ultrasound look extremely promising, and I am sure they will stimulate more research to test the use of ultrasound in many neural applications, both basic and clinical.

浙江大學醫(yī)學院的博士生葉佳、唐思陽，以及深圳先進研究院的孟龍副研究員，是本文的第一作者。鄭海榮和李月舟是本文的通訊作者。參與該工作的還有浙江大學醫(yī)學院的段樹民院士、胡海嵐教授、李相堯教授，浙江大學附屬兒童醫(yī)院的舒強院長、江米足教授、尚世強教授，深圳先進研究院的牛麗麗副研究員、邱維寶研究員。該研究得到國家自然科學基金（81527901，11534013，31270878）、科技部973計劃（2014CB910302）等項目的資助。