Klankgolwe word as 'n ossillerende gloeilamp vertoon. natrot / Shutterstock.com

Wat as u nie 'n operasie nodig het om 'n pasaangeër op 'n foutiewe hart in te plant nie? Wat as u u bloedsuikervlakke kon reguleer sonder 'n inspuiting van insulien, of die aanvang van 'n aanval sou versag sonder om 'n knoppie te druk?

Ek en 'n span wetenskaplikes in my laboratorium op die Salk Instituut die uitdagings aangepak word deur die ontwikkeling van 'n nuwe tegnologie bekend as sonogenetika, die vermoë om die aktiwiteit van selle met klank te beheer.

Van lig tot klank

Ek is 'n neurowetenskaplike belangstel om te verstaan ​​hoe die brein omgewingsveranderinge opspoor en reageer. Neurowetenskaplikes is altyd op soek na maniere om neurone in lewende breine te beïnvloed, sodat ons die uitkoms kan ontleed en kan verstaan ​​hoe die brein werk en hoe om breinafwykings beter te behandel.

Die skep van hierdie spesifieke veranderinge vereis die ontwikkeling van nuwe instrumente. Die afgelope twee dekades is optogenetika 'n tegniek vir navorsers op my gebied gemanipuleerde breinselle by diere word met lig beheer. Hierdie proses behels die invoeging van 'n optiese vesel diep in die brein van die dier om lig aan die teikengebied te lewer.

Wanneer hierdie senuweeselle aan blou lig blootgestel word, word die ligsensitiewe proteïen geaktiveer, waardeur die breinselle met mekaar kan kommunikeer en die gedrag van die dier kan verander. Diere met Parkinson-siekte kan byvoorbeeld wees genees van hul onwillekeurige bewing deur te skyn op breinselle wat spesiaal ontwerp is, wat hulle ligsensitief maak. Maar die duidelike nadeel is dat hierdie prosedure afhang van die chirurgiese inplanting van 'n kabel in die brein - 'n strategie wat nie maklik in mense vertaal kan word nie.

My doel was om uit te vind hoe om die brein te manipuleer sonder om lig te gebruik.

Klankbeheer

Ek het ontdek dat ultraklank - klankgolwe buite die reeks mense se gehoor, wat nie indringend en veilig is nie, 'n uitstekende manier is om selle te beheer. Aangesien klank 'n vorm van meganiese energie is, het ek gedink dat as breinselle meganies sensitief sou wees, dit met ultraklank kan verander. Hierdie navorsing het ons gelei tot die ontdekking van die die eerste proteïen-meganiese detektor wat natuurlik voorkom wat breinselle sensitief vir ultraklank gemaak het.

Ons tegnologie werk in twee fases. Eerstens stel ons nuwe genetiese materiaal in wanfunksionerende breinselle met behulp van 'n virus as afleweringsapparaat. Dit gee die instruksies vir hierdie selle om die ultraklank-responsiewe proteïene te maak.

Die volgende stap is om ultraklankpulse uit te voer vanaf 'n apparaat buite die dier se liggaam wat die selle met die klankgevoelige proteïene teiken. Die ultraklankpuls aktiveer die selle op afstand.

Klankfrekwensiebereik vir infrasound, hoorbare en ultraklankgolwe en die diere wat dit kan hoor. Mense kan net tussen 20 Hz en 20,000 Hz hoor. Designua / Shutterstock.com

Bewys by wurms

Ons was die eerste om te wys hoe sonogenetika kan gebruik word om neurone te aktiveer in 'n mikroskopiese wurm genaamd Caenorhabditis elegans.

Met behulp van genetiese tegnieke, het ons 'n natuurlike proteïen genaamd TRP-4 geïdentifiseer - wat in sommige neurone van die wurm teenwoordig is - wat gevoelig was vir veranderinge in die ultraklankdruk. Klankdrukgolwe wat in die ultrasoniese reeks voorkom, is bo die normale drempel vir gehoor van die mens. Sommige diere, waaronder vlermuise, walvisse en selfs motte, kan met hierdie ultrasoniese frekwensies kommunikeer, maar die frekwensies wat in ons eksperimente gebruik word, strek verder as wat selfs hierdie diere kan opspoor.

Ek en my span het getoon dat neurone met die TRP-4-proteïen sensitief is vir ultrasoniese frekwensies. Klankgolwe by hierdie frekwensies het die gedrag van die wurm verander. Ons het twee van die wurm se 302-neurone geneties verander en die TRP-4-geen bygevoeg dat ons het geweet van vorige studies was betrokke by meganosensasie.

Ons het gewys hoe ultraklankimpulse die wurms kan laat rigting verander, asof ons 'n wurmafstandsbediening gebruik. Hierdie waarnemings het bewys dat ons ultraklank as hulpmiddel kon gebruik om breinfunksie by lewende diere te bestudeer sonder om iets in die brein in te sit.

Deur 'n ultraklankpuls na 'n wurm te stuur wat klankgevoelige proteïene bevat, verander dit van rigting:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

Die voordele van sonogenetika

Hierdie aanvanklike bevinding was die geboorte van 'n nuwe tegniek wat insig bied in hoe selle deur klank opgewonde kan raak. Ek glo ook dat ons resultate daarop dui dat sonogenetika toegepas kan word om 'n wye verskeidenheid seltipes en sellulêre funksies te manipuleer.

C. elegans was 'n goeie beginpunt vir die ontwikkeling van hierdie tegnologie omdat die dier relatief eenvoudig is, met slegs 302-neurone. Hiervan is TRP-4 in slegs agt neurone. Sodat ons ander neurone kan beheer deur eers TRP-4 daarby te voeg en dan die ultraklank op hierdie spesifieke neurone te rig.

Maar in teenstelling met wurms, het die mens nie die TRP-4-geen nie. My plan is dus om die klankgevoelige proteïen in die spesifieke menslike selle wat ons wil beheer, in te voer. Die voordeel van hierdie benadering is dat die ultraklank nie met ander selle in die menslike liggaam inmeng nie.

Dit is tans nie bekend of proteïene anders as TRP-4 sensitief is vir ultraklank nie. Dit is 'n intensiewe studie in my laboratorium en die veld om sulke proteïene te identifiseer.

Die beste deel van sonogenetika is dat dit nie 'n breininplanting benodig nie. Vir sonogenetika gebruik ons ​​kunsmatig-ontwikkelde virusse - wat nie kan herhaal nie - om genetiese materiaal aan breinselle te lewer. Sodoende kan die selle klankgevoelige proteïene vervaardig. Hierdie metode is al gebruik lewer genetiese materiaal aan menslike bloed en hartspierselle by varke.

Sonogenetics, hoewel dit nog in die baie vroeë stadiums van ontwikkeling is, bied 'n nuwe terapeutiese strategie vir verskillende bewegingsverwante versteurings, waaronder Parkinson, epilepsie en dyskinesie. By al hierdie siektes stop sekere breinselle en werk normale bewegings. Sonogenetika kan dokters in staat stel om breinselle op 'n spesifieke plek of tyd af te skakel of uit te skakel en hierdie bewegingsversteurings sonder breinoperasies te behandel.

Om dit te laat werk, moet die teikenarea van die brein besmet wees met die virus wat die gene vir die klankgevoelige proteïen bevat. Dit is by muise gedoen, maar nog nie by mense nie. Gentherapie word beter en meer presies, en ek hoop dat ander navorsers sou uitvind hoe om dit te doen teen die tyd dat ons gereed is met ons sonogenetiese tegnologie.

Uitbreiding van sonogenetika

Ons het ontvang aansienlike ondersteuning om hierdie tegnologie te bevorder, die aanvanklike studie aan te vul en 'n interdissiplinêre span te stig.

Met addisionele befondsing van Defence Advanced Research Projects Agency's ElectRx-program, kan ons fokus op die vind van proteïene wat ons kan help om neurone te “afskakel”. Ons het onlangs proteïene ontdek wat gemanipuleer kan word om neurone te aktiveer (ongepubliseerde werk). Dit is baie belangrik vir die ontwikkeling van 'n terapeutiese strategie wat gebruik kan word om siektes van die sentrale senuweestelsel soos Parkinson te behandel.

Deur die blaar van die Mimosa-pudica-plant aan te raak, veroorsaak dit dat die blare toemaak. Die plant is ook sensitief vir ultraklank wat dieselfde reaksie kan veroorsaak:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

Ons span werk ook aan die uitbreiding van die sonogenetiese tegnologie. Ons het nou waargeneem dat sekere plante, soos die “raak my nie aan nie” (Mimosa pudica), is sensitief vir ultraklank. Net soos dit bekend is dat die blare van hierdie plant ineenstort en na binne vou as dit aangeraak of geskud word, lewer die polsering van ultraklank op 'n geïsoleerde tak dieselfde reaksie. Laastens ontwikkel ons 'n ander metode om te toets of ultraklank metaboliese prosesse soos insulienafskeiding van pankreasselle kan beïnvloed.

Sonogenetika kan medikasie op 'n dag omseil, die behoefte aan indringende breinoperasies verwyder en nuttig wees vir toestande wat wissel van post-traumatiese stresversteuring en bewegingsversteurings tot chroniese pyn. Die groot potensiaal vir sonogenetika is dat hierdie tegnologie toegepas kan word om byna enige soort sel te beheer: van 'n insulienproduserende sel in die pankreas tot 'n hartklop.

Ons hoop is dat sonogenetika die gebiede van neurowetenskap en medisyne revolusioneer.

Oor die skrywer

Sreekanth Chalasani, Medeprofessor in molekulêre neurobiologie (Salk-instituut) en assistent-adjunk-professor in neurobiologie, Universiteit van Kalifornië in San Diego

Hierdie artikel is gepubliseer vanaf Die gesprek onder 'n Creative Commons lisensie. Lees die oorspronklike artikel.