Nowa technologia pozwala naukowcom modyfikować mózg z precyzją i elastycznością – źródło

Choroby mózgu człowieka, takie jak choroba Parkinsona, wiążą się z uszkodzeniem więcej niż jednego obszaru mózgu, co wymaga technologii, która może dokładnie i elastycznie leczyć wszystkie dotknięte obszary jednocześnie. Naukowcy z Washington University w St. Louis opracowali nieinwazyjną technologię, która łączy urządzenie audio 3D z inżynierią genetyczną, która pozwala im precyzyjnie namierzać uszkodzone neurony w mózgu, tworząc możliwość precyzyjnego modyfikowania określonych typów komórek w wielu chorych obszarach mózgu. mózg.

Hong Chen, adiunkt inżynierii biomedycznej w McKelvey School of Engineering and Neurosurgery przy School of Medicine, wraz ze swoim zespołem opracowała pionierską technologię AhSonogenetics, czyli genetyki stereoakustycznej wiązki powietrznej, która wykorzystuje nieinwazyjne, przenośne urządzenie ultradźwiękowe do zmiany wybranych genów. Neurony w mózgach szczurów. Wyniki badania słuszności koncepcji opublikowano w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk 17 czerwca.

AhSonogenetics łączy wiele najnowszych osiągnięć grupy Chena w jedną technologię. W 2021 roku wraz z zespołem uruchomiła Sonogenetics – metodę wykorzystującą skupione ultradźwięki do dostarczania konstruktu wirusowego zawierającego kanały jonowe wrażliwe na ultradźwięki do genetycznie wybranych neuronów w mózgu. Wykorzystują skupione ultradźwięki o niskiej intensywności, aby dostarczyć niewielki impuls ciepła, który otwiera kanały jonowe i aktywuje neurony. Zespół Chena jako pierwszy wykazał, że genetyka akustyczna może modyfikować zachowanie swobodnie poruszających się myszy.

W 2022 roku wraz z członkami jej laboratorium zaprojektowała i wydrukowała elastyczny, wszechstronny instrument znany jako dwupłatowiec akustyczny z wiązką powietrza, który umożliwił im manipulowanie wiązkami ultradźwiękowymi. Pracuje także nad Sonogenetyką 2.0, która łączy ultradźwięki z inżynierią genetyczną, aby w sposób nieinwazyjny i precyzyjny modyfikować określone neurony w mózgach ludzi i zwierząt. AhSonogenetics łączy je jako potencjalny sposób interwencji w chorobach neurodegeneracyjnych.

„Umożliwiając precyzyjną i elastyczną neuromodulację określonego typu komórek bez inwazyjnych procedur, AhSonogenetics zapewnia potężne narzędzie do badania zdrowych obwodów nerwowych i oferuje obiecujące interwencje w przypadku zaburzeń neurologicznych” – powiedział Chen.

Sonogenetyka umożliwia naukowcom precyzyjne kontrolowanie mózgu, natomiast technologia wiązki pneumatycznej umożliwia naukowcom zaginanie lub kierowanie fal dźwiękowych w celu generowania losowych wzorów wiązek w mózgu z wysoką rozdzielczością przestrzenną. Yaohing (Mack) Yang, pracownik naukowy ze stopniem doktora, który uzyskał tytuł doktora inżynierii biomedycznej w McKelvey Engineering w 2022 r., powiedział, że technologia ta daje naukowcom trzy wyjątkowe korzyści.

„Airy Beam to technologia, która może zapewnić nam precyzyjne namierzanie mniejszego obszaru niż w przypadku tradycyjnej technologii, elastyczność kierowania do wybranych obszarów mózgu i jednoczesne kierowanie na wiele obszarów mózgu” – powiedział Yang.

Chen i jej zespół, w skład którego wchodzili pierwsi autorzy: Zhongtao Hu, była współpracownica naukowa ze stopniem doktora, oraz Yang, indywidualnie zaprojektowali każdą powierzchnię wiązki Airy jako podstawę przenośnych urządzeń ultradźwiękowych zaprojektowanych do różnych zastosowań i precyzyjnych lokalizacji w mózgu.

Zespół Chena przetestował tę technikę na mysim modelu choroby Parkinsona. Dzięki AhSonogenetics udało im się jednocześnie stymulować dwa obszary mózgu za pomocą jednej myszy, eliminując potrzebę stosowania wielokrotnych implantów lub interwencji. Stymulacja ta złagodziła deficyty motoryczne związane z chorobą Parkinsona w modelu mysim, w tym powolne ruchy, trudności z chodzeniem i zachowania polegające na zamieraniu.

Opracowane przez zespół urządzenie Airy-beam pokonuje niektóre ograniczenia genetyki akustycznej, w tym dostosowuje konstrukcję urządzenia do atakowania określonych lokalizacji w mózgu, a także zapewnia elastyczność umożliwiającą precyzyjne dostrojenie lokalizacji docelowych w pojedynczym mózgu.

Urządzenie, którego wyprodukowanie kosztuje około 50 dolarów, można zaprojektować tak, aby pasowało do mózgów różnych rozmiarów, poszerzając tym samym jego potencjalne zastosowania, powiedział Hu.

„Technologię tę można wykorzystać jako platformę badawczą do przyspieszenia badań w dziedzinie neuronauki ze względu na jej zdolność do elastycznego oddziaływania na różne obszary mózgu” – powiedział Hu. „Przystępna cena i łatwość produkcji zmniejszają bariery utrudniające powszechne przyjęcie proponowanych przez nas urządzeń przez społeczność badawczą do zastosowań w neuromodulacji”.

Hu Z, Yang Y, Gong Y, Chukwu C, Ye D, Yue Y, Yuan J, Kravitz AV, Chen H. Holograficzna genetyka akustyczna Airy-beam dla zwiększenia precyzji i elastyczności neuromodulacji. Proceedings of the National Academy of Sciences 17 czerwca 2024 r., DOI: 10.1073/pnas.2402200121.

Finansowanie tych badań zapewnił Narodowy Instytut Zdrowia (R01NS12846, R01MH116981, UG3MH126861, R01EB027223, R01EB030102).

Plik projektowy przetwornika stereo Airy-beam jest dostępny na GitHubie: https://github.com/ChenUltrasoundLabWUSTL/AiryBeam_Lens_Design.

Pierwotnie opublikowany w dniu Strona internetowa firmy McKelvey Engineering