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光基因、磁基因、声基因、经颅超声神经调控:神经调控的大时代

已有 7351 次阅读 2015-9-17 12:44 |个人分类:科研随笔|系统分类:科研笔记

神经调控技术的发展由来已久[1]。采用磁场刺激神经系统的研究在1910年就有报道,但直到1985年,Anthony Barker等人采用线圈产生的磁场成功激活目标皮层神经活动,并在刺激运动皮层时成功引发对侧的手部运动[2],从而引发了经颅磁刺激(transcranialmagnetic stimulation TMS)技术的临床和神经科学的研究热潮。目前TMS已作为一项重要的干预手段用于抑郁症的临床治疗。除 TMS之外,跨路直流电(transcranialdirect current stimula­tion,tDCS)和深部脑刺激(deep brain stimulation, DBS)也是常见的神经调控技术,其中DBS也作为一项重要的临床治疗技术用于抑制帕金森症的震颤。 

2005年,Deisseroth等人建立了光基因技术(Optogenetics),该技术通过特定波长的光照来操控(兴奋或抑制)被转染了光敏蛋白的神经元的神经活动,能实现对单个神经元的控制[3]。该技术无疑是一项革命性的技术,极大地推动了神经科学的研究。那么,在光敏蛋白之外,是否有声敏蛋白、磁敏蛋白可以用来实现神经调控呢?914日,我国清华大学的Sheng-Jia ZhangScienceBulletin上发表了关于磁基因神经调控技术的研究[4]915日,Sreekanth等人在Nature Communications发表关于声基因 调控技术的研究[5]。这两项技术将把神经调控技术推到新的高度。磁基因神经调控技术无疑是一个重要的研究工作,但为何只发表在Science Bulletin这一杂志上呢?我当时就想应该是为了抢先于竞争对手先发表。而就在916日晚上,我看到了关于磁基因神经调控技术论文抢先发表的争议(http://finance.ifeng.com/a/20150916/13977833_0.shtml)。在我理解,光基因技术因为要插光纤到目标区域,属于有创的技术;磁场难以聚焦会导致磁基因技术在空间精确调控方面差于光基因技术,且施加磁场会干扰神经活动电信号的记录,这将限制其在某些研究上的应用;声基因技术和磁基因技术一样无侵入,但声场可以聚焦,且声属于机械波不和电场磁场相干扰;综合来说,声基因技术在非侵入的条件下或能获得与光基因技术相近的空间精细调控能力,且能与多种模态的神经影像技术兼容,可望获得更多的应用。光基因技术、磁基因技术和声基因技术都需要对应转录光敏、磁敏或声敏蛋白到神经元,这一过程可能带来生理毒性等问题。 

与上述几种技术相对比,低强度经颅超声神经调控(Transcranial UltrasoundStimulationTUS)技术在2010年首次被报道出来[6],能无创伤、高空间精度(刺激半径2mm甚至更小)地有效刺激皮层下较深部位脑区(>2cm),且关于该技术的研究没有发现任何副作用。我们实验室较早地开展了TUS及其应用研究,在2012年搭建好TUS的实验平台,在2014年发表基于TUS的脑卒中动物脑保护研究论文[7],并在继续推进TUS的机制和应用研究,希望能把其推向临床。 

光基因、磁基因、声基因、经颅超声神经调控这些技术在近年相继被发展出来,在竞争中发展,并推动神经科学乃至临床医学的发展。让我们一起来见证这个神经调控的大时代!

 

参考文献:  

[1]     E. Dayan, N.Censor, E. R. Buch, M. Sandrini, and L. G. Cohen, "Noninvasive brainstimulation: from physiology to network dynamics and back," Nature Neuroscience, vol. 16, pp.838-844, Jul 2013.

[2]     A.T. Barker, R. Jalinous, and I. L. Freeston, "Non-invasive magneticstimulation of human motor cortex," Lancet,vol. 1, pp. 1106-7, May 11 1985.

[3]     E.S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth,"Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neuralactivity," Nature Neuroscience, vol.8, pp. 1263-1268, Sep 2005.

[4]     X.Long, J. Ye, D. Zhao, and S.-J. Zhang, "Magnetogenetics: remotenon-invasive magnetic activation of neuronal activity with amagnetoreceptor," Science Bulletin, pp.1-13, 2015/09/14 2015.

[5]     S.Ibsen, A. Tong, C. Schutt, S. Esener, and S. H. Chalasani, "Sonogeneticsis a non-invasive approach to activating neurons in Caenorhabditiselegans," Nat Commun, vol. 6,2015.

[6]     Y.Tufail, A. Matyushov, N. Baldwin, M. L. Tauchmann, J. Georges, A. Yoshihiro, S.I. H. Tillery, and W. J. Tyler, "Transcranial Pulsed Ultrasound StimulatesIntact Brain Circuits," Neuron, vol.66, pp. 681-694, Jun 10 2010.

[7]     T.Guo, H. Li, Y. Lv, H. Lu, J. Niu, J. Sun, G. Y. Yang, C. Ren, and S. Tong,"Neuroprotective pulsed transcranial ultrasound stimulation in ischemicbrain injury after distal middle cerebral artery occlusion," IEEE Trans Biomed Eng, Apr 28 2015.

 



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