Công cụ mới kích hoạt tế bào thần kinh não sâu bằng cách kết hợp siêu âm, di truyền

Hong Chen, trợ lý giáo sư kỹ thuật y sinh tại Trường Kỹ thuật McKelvey và về ung thư bức xạ tại Trường Y, dẫn đầu nhóm nghiên cứu. Họ là những người đầu tiên cung cấp bằng chứng trực tiếp cho thấy sự kích hoạt không xâm lấn, loại tế bào cụ thể của tế bào thần kinh trong não của động vật có vú bằng cách kết hợp hiệu ứng sưởi ấm do sóng siêu âm và kỹ thuật di truyền, mà họ đã đặt tên là kỹ thuật Di truyền nhiệt sóng siêu âm (sonothermogenetics). Đây cũng là công trình đầu tiên cho thấy sự kết hợp sóng siêu âm và kỹ thuật di truyền có thể kiểm soát mạnh mẽ hành vi bằng cách kích thích một mục tiêu cụ thể nằm sâu trong não.

Kết quả của ba năm nghiên cứu, được tài trợ một phần bởi Sáng kiến BRAIN của Viện Y tế Quốc gia, đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Brain Stimulation ngày 11 tháng 5 năm 2021.

Hình minh họa các tế bào thần kinh

Chen cho biết: “Công trình của chúng tôi đã cung cấp bằng chứng cho thấy việc sử dụng kỹ thuật Di truyền nhiệt sóng siêu âm đã tạo ra phản ứng hành vi ở những con chuột di chuyển tự do trong khi nhắm mục tiêu vào vùng não sâu. Kỹ thuật Di truyền nhiệt sóng siêu âm thay đổi cách tiếp cận của chúng tôi đối với nghiên cứu khoa học thần kinh và khám phá ra các phương pháp mới để hiểu và điều trị các rối loạn não bộ ở người."

Sử dụng mô hình chuột, Chen và nhóm nghiên cứu bằng kỹ thuật gen đã chuyển một cấu trúc virus chứa các kênh ion TRPV1 tới các tế bào thần kinh được chọn lọc về mặt di truyền. Sau đó, họ truyền một luồng nhiệt nhỏ thông qua sóng siêu âm hội tụ cường độ thấp đến các tế bào thần kinh được chọn trong não thông qua một thiết bị đeo được. Hơi nóng, chỉ ấm hơn vài độ so với nhiệt độ cơ thể, đã kích hoạt kênh ion TRPV1, hoạt động như một công tắc để bật hoặc tắt các tế bào thần kinh.

Yaoheng Yang, tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Chúng tôi có thể di chuyển thiết bị siêu âm đeo trên đầu của những con chuột đang di chuyển tự do để nhắm vào các vị trí khác nhau trong toàn bộ não. Bởi vì nó không xâm lấn, kỹ thuật này có tiềm năng được nhân rộng cho các loài động vật lớn và trong tương lai có khả năng là con người."

Công trình xây dựng dựa trên nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm đã được công bố trên tạp chí Scientific Reports vào năm 2016. Lần đầu tiên nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ riêng sóng siêu âm có thể ảnh hưởng đến hoạt động của kênh ion và có thể dẫn đến những cách mới và không xâm lấn để kiểm soát hoạt động của các tế bào cụ thể. Trong nghiên cứu của mình, họ phát hiện ra rằng sóng siêu âm hội tụ đã điều chỉnh dòng điện chạy qua các kênh ion trung bình lên đến 23%, tùy thuộc vào kênh và cường độ kích thích. Sau công trình nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy gần 10 kênh ion có khả năng này, nhưng tất cả chúng đều nhạy cảm cơ học, không nhạy cảm nhiệt.

Công trình cũng xây dựng dựa trên khái niệm kỹ thuật di truyền quang học, sự kết hợp giữa biểu hiện có mục tiêu của các kênh ion nhạy cảm với ánh sáng và sự phân phối ánh sáng chính xác để kích thích các tế bào thần kinh nằm sâu trong não. Trong khi kỹ thuật di truyền quang học đã giúp tăng cường khám phá các mạch thần kinh mới, nó bị hạn chế về độ sâu thâm nhập do hiện tượng tán xạ ánh sáng và việc cần phải phẫu thuật cấy ghép các sợi quang học.

Chen cho biết, kỹ thuật di truyền nhiệu sóng siêu âm hứa hẹn sẽ cho phép nhắm mục tiêu vào bất kỳ vị trí nào trong não chuột với độ phân giải quy mô milimet mà không gây ra bất kỳ tổn thương nào cho não. Cô và nhóm cũng sẽ tiếp tục tối ưu hóa kỹ thuật và xác nhận thêm các phát hiện của họ.

Nguồn: ScienceDaily
Xử lý tin: Phương Hà