Ang mga alon ng tunog ay ipinapakita bilang isang oscillating glow light. natrot / Shutterstock.com

Paano kung hindi mo kailangan ng operasyon upang itanim ang isang pacemaker sa isang may sira na puso? Paano kung makontrol mo ang iyong mga antas ng asukal sa dugo nang walang iniksyon ng insulin, o pagaanin ang simula ng isang pag-agaw nang hindi kahit na itulak ang isang pindutan?

Ako at isang pangkat ng mga siyentipiko sa aking laboratoryo sa Salk Institute ay tinutuya ang mga hamong ito sa pamamagitan ng pagbuo ng isang bagong teknolohiya na kilala bilang sonogenetics, ang kakayahang di-madilim na makontrol ang aktibidad ng mga cell gamit ang tunog.

Mula sa ilaw hanggang sa tunog

Ako ay isang neuroscientist interesado sa pag-unawa kung paano nakita ng utak ang mga pagbabago sa kapaligiran at tumutugon. Ang mga neuroscientist ay palaging naghahanap ng mga paraan upang maimpluwensyahan ang mga neuron sa buhay na talino upang masuri natin ang kinalabasan at maunawaan pareho kung paano gumagana ang utak at kung paano mas mahusay na gamutin ang mga sakit sa utak.

Ang paglikha ng mga tiyak na pagbabago na ito ay nangangailangan ng pag-unlad ng mga bagong tool. Sa huling dalawang dekada ang go-to tool para sa mga mananaliksik sa aking larangan ay naging optogenetics, isang pamamaraan kung saan ang mga engineered brain cells sa mga hayop ay kinokontrol nang may ilaw. Ang prosesong ito ay nagsasangkot ng pagpasok ng isang optic fiber na malalim sa utak ng hayop upang maihatid ang ilaw sa target na rehiyon.

Kapag ang mga selula ng nerve na ito ay nakalantad sa asul na ilaw, ang protina na sensitibo sa ilaw ay isinaaktibo, na nagpapahintulot sa mga cell cells ng utak na makipag-usap sa bawat isa at baguhin ang pag-uugali ng hayop. Halimbawa, ang mga hayop na may sakit na Parkinson ay maaaring gumaling sa kanilang hindi sinasadyang mga panginginig sa pamamagitan ng nagniningning na ilaw sa mga selula ng utak na espesyal na ininhinyero na ginagawang magaan ang mga ito. Ngunit ang malinaw na disbentaha ay ang pamamaraang ito ay nakasalalay sa kirurhiko na pagtatanim ng isang cable sa utak - isang diskarte na hindi madaling isalin sa mga tao.

Ang layunin ko ay upang malaman kung paano manipulahin ang utak nang hindi gumagamit ng ilaw.

Kontrol ng tunog

Natuklasan ko na ang ultratunog - mga tunog ng tunog na lampas sa saklaw ng pagdinig ng tao, na hindi malabo at ligtas - ay isang mahusay na paraan upang makontrol ang mga cell. Dahil ang tunog ay isang form ng enerhiya ng makina, naisip ko na kung ang mga selula ng utak ay maaaring gawin nang sensitibo sa mekanikal, kung gayon maaari naming baguhin ang mga ito sa ultrasound. Ang pananaliksik na ito ang humantong sa amin sa pagtuklas ng unang natural na nagaganap na protina mechanical detector na naging sensitibo sa mga selula ng utak sa ultrasound.

Ang aming teknolohiya ay gumagana sa dalawang yugto. Una ay ipinakilala namin ang mga bagong genetic na materyal sa hindi magagandang mga cell ng utak na gumagamit ng isang virus bilang isang aparato ng paghahatid. Nagbibigay ito ng mga tagubilin para sa mga cell na ito na gumawa ng mga protina na tumutugon sa ultratunog.

Ang susunod na hakbang ay ang paglabas ng mga pulses ng ultrasound mula sa isang aparato sa labas ng katawan ng hayop na naka-target sa mga cell na may mga protina na sensitibo sa tunog. Ang pulso ng ultrasound ay malayuan ang mga cell.

Saklaw ng tunog ang dalas para sa infrasound, naririnig at mga ultratunog na alon at mga hayop na maaaring marinig ang mga ito. Ang mga tao ay nakakarinig lamang sa pagitan ng 20 Hz at 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Katunayan sa mga bulate

Kami ang unang nagpakita kung paano maaaring gamitin ang sonogenetics upang maisaaktibo ang mga neuron sa isang mikroskopikong worm na tinawag Caenorhabditis elegans.

Gamit ang mga pamamaraan ng genetic, nakilala namin ang isang natural na nagaganap na protina na tinatawag na TRP-4 - na naroroon sa ilang mga neuron ng bulate - na sensitibo sa mga pagbabago sa presyon ng ultrasound. Ang mga alon ng presyon ng tunog na nagaganap sa hanay ng ultrasonic ay nasa itaas ng normal na threshold para sa pagdinig ng tao. Ang ilang mga hayop, kabilang ang mga paniki, mga balyena at kahit mga anunsyo, ay maaaring makipag-usap sa mga ultrasonic frequency na ito, ngunit ang mga frequency na ginamit sa aming mga eksperimento ay lalampas sa kung ano ang maaaring makita ng mga hayop na ito.

Ipinakita ko sa aking koponan na ang mga neuron na may protina ng TRP-4 ay sensitibo sa mga dalas ng ultrasonic. Ang mga alon ng tunog sa mga dalas na ito ay nagbago sa pag-uugali ng uod. Binago namin ang genetikal na dalawa sa mga 302 neuron ng uod at idinagdag ang TRP-4 gene na alam namin mula sa mga nakaraang pag-aaral ay kasangkot sa mekanismo.

Ipinakita namin kung paano maaaring gawin ng mga bugso ng ultrasound ang direksyon ng pagbabago ng worm, na para bang gumagamit kami ng isang worm remote control. Ang mga obserbasyong ito ay napatunayan na maaari naming gamitin ang ultratunog bilang isang tool upang pag-aralan ang pag-andar ng utak sa mga buhay na hayop nang walang pagpasok ng anumang bagay sa utak.

Ang pagpapadala ng isang pulso ng ultrasound sa isang bulate na nagdadala ng mga tunog na sensitibo sa mga protina ay nagiging sanhi nito upang baguhin ang direksyon:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

Ang mga bentahe ng sonogenetics

Ang paunang paghahanap na ito ay minarkahan ang pagsilang ng isang bagong pamamaraan na nag-aalok ng mga pananaw sa kung paano ang mga cell ay maaaring mabigla ng tunog. Bilang karagdagan, naniniwala ako na iminumungkahi ng aming mga resulta na ang sonogenetics ay maaaring mailapat upang manipulahin ang isang iba't ibang uri ng mga uri ng cell at mga cellular function.

C. elegans ay isang magandang simula para sa pagbuo ng teknolohiyang ito dahil ang hayop ay medyo simple, na may mga 302 neuron lamang. Sa mga ito, ang TRP-4 ay nasa walong neuron lamang. Kaya maaari nating kontrolin ang iba pang mga neuron sa pamamagitan ng unang pagdaragdag ng TRP-4 sa kanila at pagkatapos ay pagdirekta ang ultrasound nang tumpak sa mga tiyak na neuron na ito.

Ngunit ang mga tao, hindi tulad ng mga bulate, ay hindi magkaroon ng TRP-4 gene. Kaya ang aking plano ay upang ipakilala ang tunog na sensitibo sa protina sa mga tiyak na mga cell ng tao na nais nating kontrolin. Ang bentahe ng pamamaraang ito ay ang ultratunog ay hindi makagambala sa anumang iba pang mga cell sa katawan ng tao.

Kasalukuyan itong hindi kilala kung ang mga protina maliban sa TRP-4 ay sensitibo sa ultrasound. Ang pagkilala sa gayong mga protina, kung mayroon man, ay isang lugar ng matinding pag-aaral sa aking lab at ang patlang.

Ang pinakamagandang bahagi tungkol sa sonogenetics ay na hindi ito nangangailangan ng utak na itanim. Para sa mga sonogenetics, gumagamit kami ng mga virus na gawa sa artipisyal - na hindi maaaring magtiklop - upang maghatid ng genetic na materyal sa mga cell ng utak. Pinapayagan nito ang mga cell na gumawa ng mga tunog na sensitibo sa mga protina. Ang pamamaraang ito ay ginamit upang naghahatid ng genetic material sa dugo ng tao at mga cell ng kalamnan ng puso sa mga baboy.

Ang Sonogenetics, kahit na sa maagang yugto ng pag-unlad, ay nag-aalok ng isang diskarte sa therapeutic na nobela para sa iba't ibang mga karamdaman na may kaugnayan sa paggalaw kabilang ang Parkinson, epilepsy at dyskinesia. Sa lahat ng mga sakit na ito, ang ilang mga cell ng utak ay tumitigil sa pagtatrabaho at maiwasan ang normal na paggalaw. Maaaring paganahin ng mga Sonogenetics ang mga doktor na i-on o i-off ang mga cell ng utak sa isang tukoy na lokasyon o oras at gamutin ang mga sakit na paggalaw na walang operasyon sa utak.

Upang gumana ito, ang target na rehiyon ng utak ay kailangang mahawahan ng virus na nagdadala ng mga gene para sa tunog na sensitibo sa protina. Ginagawa ito sa mga daga ngunit hindi pa sa mga tao. Ang Gen therapy ay nakakakuha ng mas mahusay at mas tumpak, at umaasa ako na ang iba pang mga mananaliksik ay may malalaman kung paano ito gawin sa oras na handa na kami sa aming sonogenetic na teknolohiya.

Pagpapalawak ng sonogenetics

Natanggap namin malaking suporta upang isulong ang teknolohiyang ito, i-fuel ang paunang pag-aaral at magtatag ng isang pangkat ng interdisiplinary.

Sa karagdagang pondo mula sa Defense Advanced Research Proyekto ng Ahensya Programa ng ElectRx, maaari tayong tumuon sa paghahanap ng mga protina na makakatulong sa atin na "patayin" ang mga neuron. Kamakailan namin natuklasan ang mga protina na maaaring manipulahin upang maisaaktibo ang mga neuron (hindi nai-publish na trabaho). Mahalaga ito para sa pagbuo ng isang diskarte sa therapeutic na maaaring magamit upang gamutin ang mga sakit sa gitnang sistema ng nerbiyos tulad ng Parkinson's.

Ang pagpindot sa dahon ng halaman ng Mimosa pudica ay nag-trigger ng isang natitiklop na tugon na nagiging sanhi ng mga dahon ay malapit. Ang halaman ay sensitibo rin sa ultratunog na maaaring mag-trigger ng parehong reaksyon:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

Ang aming koponan ay nagtatrabaho din sa pagpapalawak ng sonogenetic na teknolohiya. Napagmasdan namin ngayon na ang ilang mga halaman, tulad ng "huwag mo akong hawakan" (Mimosa pudica), ay sensitibo sa ultratunog. Tulad ng mga dahon ng halaman na ito ay kilala na gumuho at tiklop papasok kapag hinawakan o iling, ang paglalapat ng mga pulses ng ultrasound sa isang nakahiwalay na sanga ay gumagawa ng parehong tugon. Sa wakas, nagkakaroon kami ng ibang pamamaraan upang masubukan kung ang ultratunog ay maaaring makaimpluwensya sa mga proseso ng metabolic tulad ng pagtatago ng insulin mula sa mga cell ng pancreatic.

Ang Sonogenetics ay maaaring mag-iwas sa mga gamot sa araw, alisin ang pangangailangan para sa nagsasalakay surgeries sa utak at maging kapaki-pakinabang para sa mga kondisyon na mula sa post-traumatic na sakit sa pagkapagod at mga sakit sa paggalaw sa talamak na sakit. Ang mahusay na potensyal para sa sonogenetics ay ang teknolohiyang ito ay maaaring mailapat upang makontrol ang halos anumang uri ng cell: mula sa isang cell na gumagawa ng insulin sa pancreas hanggang sa paglagay ng isang puso.

Ang aming pag-asa ay ang sonogenetics ay nagbabago sa larangan ng neuroscience at gamot.

Tungkol sa Author

Sreekanth Chalasani, Associate Professor ng Molecular Neurobiology (Salk Institute) at Assistant Adjunct Propesor ng Neurobiology, University of California San Diego

Ang artikulong ito ay muling nai-publish mula sa Ang pag-uusap sa ilalim ng lisensya ng Creative Commons. Basahin ang ang orihinal na artikulo.