新技术使研究人员能够精确灵活地调节大脑

帕金森病等人类脑部疾病涉及大脑多个区域的损伤，需要能够同时精确、灵活地解决所有受影响区域的技术。

圣路易斯华盛顿大学的研究人员开发出一种非侵入性技术，将全息声学设备与基因工程相结合，使他们能够精确瞄准大脑中受影响的神经元，从而有可能精确调节多个患病大脑区域中选定的细胞类型。

陈红是麦凯维工程学院生物医学工程副教授，也是医学院神经外科副教授。她和她的团队发明了 AhSonogenetics，即艾里束全息超声遗传学。该技术使用非侵入性可穿戴超声波设备来改变小鼠大脑中经过基因选择的神经元。该概念验证研究的结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

AhSonogenetics 将陈教授团队的几项最新进展整合成一项技术。2021 年，她和她的团队推出了Sonogenetics，这种方法利用聚焦超声将含有超声敏感离子通道的病毒构建体传送到大脑中经过基因选择的神经元。他们使用低强度聚焦超声传送一小股热量，从而打开离子通道并激活神经元。陈教授的团队首次证明了声遗传学可以调节自由移动小鼠的行为。

2022 年，她和实验室成员设计并 3D 打印了一种灵活多变的工具，称为 支持艾里光束的二元声学超表面，使他们能够操纵超声波束。她还在开发 Sonogenetics 2.0，它结合了超声波和基因工程的优势，可以无创、精确地调节人类和动物大脑中的特定神经元。AhSonogenetics 将它们结合在一起，作为干预神经退行性疾病的潜在方法。

陈说：“通过实现精确、灵活的细胞类型特异性神经调节，而无需侵入性手术，AhSonogenetics 为研究完整的神经回路提供了强有力的工具，并为神经系统疾病提供了有希望的干预措施。”

Sonogenetics 使研究人员能够精确控制大脑。相比之下，艾里束技术允许研究人员弯曲或操纵声波，以高空间分辨率在大脑内部产生任意的光束模式。博士后研究员 Yaoheng (Mack) Yang 于 2022 年获得 McKelvey Engineering 的生物医学工程博士学位，他说这项技术为研究人员带来了三个独特的优势。

杨说：“艾里光束技术可以让我们比传统技术更精确地瞄准更小的区域，灵活地引导至目标大脑区域，并同时瞄准多个大脑区域。”

陈和她的团队，包括第一作者胡钟涛(前博士后研究员)和杨，单独设计了每个艾里束超表面，作为可穿戴超声波设备的基础，这些设备针对不同的应用和大脑中的精确位置进行了定制。

陈的团队在患有帕金森病的小鼠模型上测试了该技术。借助 AhSonogenetics，他们能够同时刺激一只小鼠的两个大脑区域，无需多次植入或干预。这种刺激缓解了小鼠模型中与帕金森病相关的运动障碍，包括动作缓慢、行走困难和僵住行为。

该团队的艾里束装置克服了声遗传学的一些限制，包括根据特定的大脑位置定制装置的设计，以及结合在单个大脑中调整目标位置的灵活性。

胡说，该装置的制造成本约为 50 美元，可以根据不同的大脑尺寸进行调整，从而扩大其潜在应用范围。

“这项技术可以用作研究平台，加速神经科学研究，因为它能够灵活地针对不同的大脑区域，”胡说。“价格实惠且易于制造，降低了研究界广泛采用我们提出的设备进行神经调节应用的障碍。”

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