Nueva herramienta activa neuronas cerebrales profundas combinando ultrasonido y genética

Los trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia han tenido cierto éxito en el tratamiento con estimulación cerebral profunda, pero requieren la implantación de un dispositivo quirúrgico. Un equipo multidisciplinario de la Universidad de Washington en St. Louis ha desarrollado una nueva técnica de estimulación cerebral que utiliza ultrasonido enfocado que puede activar y desactivar tipos específicos de neuronas en el cerebro y controlar con precisión la actividad motora sin la implantación de un dispositivo quirúrgico.
El equipo, dirigido por Hong Chen, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería McKelvey y de oncología de radiación en la Facultad de Medicina, es el primero en proporcionar evidencia directa que muestra la activación no invasiva y específica del tipo celular de las neuronas en el cerebro. de mamíferos combinando el efecto de calentamiento inducido por ultrasonido y la genética, que han denominado sonotermogenética. También es el primer trabajo que muestra que la combinación de ultrasonido y genética puede controlar de manera robusta el comportamiento estimulando un objetivo específico en las profundidades del cerebro.
Los resultados de los tres años de investigación, que fueron financiados en parte por la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud, se publicaron en línea en Brain Stimulation el 11 de mayo de 2022.
El equipo de investigación senior incluyó a expertos tanto de la Escuela de Ingeniería McKelvey como de la Escuela de Medicina, incluido Jianmin Cui, profesor de ingeniería biomédica; Joseph P. Culver, profesor de radiología, física e ingeniería biomédica; Mark J. Miller, profesor asociado de medicina en la División de Enfermedades Infecciosas del Departamento de Medicina; y Michael Bruchas, ex de la Universidad de Washington, ahora profesor de anestesiología y farmacología en la Universidad de Washington.
"Nuestro trabajo proporcionó evidencia de que la sonotermogenética evoca respuestas de comportamiento en ratones que se mueven libremente mientras se dirige a un sitio profundo del cerebro", dijo Chen. "La sonotermogenética tiene el potencial de transformar nuestros enfoques para la investigación en neurociencia y descubrir nuevos métodos para comprender y tratar los trastornos del cerebro humano".
Usando un modelo de ratón, Chen y el equipo entregaron una construcción viral que contenía canales iónicos TRPV1 a neuronas seleccionadas genéticamente. Luego, entregaron una pequeña ráfaga de calor a través de un ultrasonido enfocado de baja intensidad a las neuronas seleccionadas en el cerebro a través de un dispositivo portátil. El calor, solo unos pocos grados más caliente que la temperatura corporal, activó el canal iónico TRPV1, que actuó como un interruptor para encender o apagar las neuronas.
"Podemos mover el dispositivo de ultrasonido que se lleva en la cabeza de los ratones que se mueven libremente para apuntar a diferentes lugares de todo el cerebro", dijo Yaoheng Yang, primer autor del artículo y estudiante de posgrado en ingeniería biomédica. "Debido a que no es invasiva, esta técnica tiene el potencial de ampliarse a animales grandes y potencialmente humanos en el futuro".
El trabajo se basa en una investigación realizada en el laboratorio de Cui que se publicó en Scientific Reports en 2016. Cui y su equipo descubrieron por primera vez que el ultrasonido por sí solo puede influir en la actividad de los canales iónicos y podría conducir a formas nuevas y no invasivas de controlar la actividad de células específicas. . En su trabajo, encontraron que el ultrasonido enfocado modulaba las corrientes que fluían a través de los canales iónicos en promedio hasta en un 23%, dependiendo del canal y la intensidad del estímulo. Tras este trabajo, los investigadores encontraron cerca de 10 canales iónicos con esta capacidad, pero todos ellos son mecanosensibles, no termosensibles.
El trabajo también se basa en el concepto de optogenética, la combinación de la expresión dirigida de canales iónicos sensibles a la luz y la entrega precisa de luz para estimular las neuronas en las profundidades del cerebro. Si bien la optogenética ha aumentado el descubrimiento de nuevos circuitos neuronales, tiene una profundidad de penetración limitada debido a la dispersión de la luz y requiere la implantación quirúrgica de fibras ópticas.
La sonotermogenética promete apuntar a cualquier lugar del cerebro del ratón con una resolución de escala milimétrica sin causar ningún daño al cerebro, dijo Chen. Ella y el equipo continúan optimizando la técnica y validando aún más sus hallazgos.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por Universidad de Washington en St. Louis. Original escrito por Beth Miller. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.