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Neues Werkzeug aktiviert tiefe Gehirnneuronen durch Kombination von Ultraschall und Genetik

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Es ist die erste Arbeit, die zeigt, dass die Sonothermogenetik das Verhalten steuern kann, indem sie ein spezifisches Ziel tief im Gehirn stimuliert

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Neurologische Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit und Epilepsie haben einige Behandlungserfolge mit tiefer Hirnstimulation gehabt, aber diese erfordern eine chirurgische Geräteimplantation. Ein multidisziplinäres Team an der Washington University in St. Louis hat eine neue Hirnstimulationstechnik mit fokussiertem Ultraschall entwickelt, die in der Lage ist, bestimmte Arten von Neuronen im Gehirn ein- und auszuschalten und die motorische Aktivität ohne chirurgische Geräteimplantation präzise zu steuern.

Dem leitenden Forschungsteam gehörten renommierte Experten auf ihrem Gebiet sowohl von der McKelvey School of Engineering als auch von der School of Medicine an, darunter Jianmin Cui, Professor für biomedizinische Technik; Joseph P. Culver, Professor für Radiologie, für Physik und für biomedizinische Technik; Mark J. Miller, außerordentlicher Professor für Medizin in der Abteilung für Infektionskrankheiten im Fachbereich Medizin; und Michael Bruchas, früher an der Washington University, jetzt Professor für Anästhesiologie und Pharmakologie an der University of Washington.

"Unsere Arbeit lieferte den Beweis, dass die Sonothermogenetik Verhaltensreaktionen bei sich frei bewegenden Mäusen hervorruft, während sie auf eine tiefe Hirnstelle abzielt", sagte Chen. "Die Sonothermogenetik hat das Potenzial, unsere Ansätze für die neurowissenschaftliche Forschung zu verändern und neue Methoden zum Verständnis und zur Behandlung menschlicher Hirnerkrankungen zu entdecken."

Unter Verwendung eines Mausmodells lieferten Chen und das Team ein virales Konstrukt, das TRPV1-Ionenkanäle enthält, an genetisch selektierte Neuronen. Dann verabreichten sie den ausgewählten Neuronen im Gehirn über ein tragbares Gerät kleine Wärmeschübe mit fokussiertem Ultraschall niedriger Intensität. Die Wärme, die nur wenige Grad wärmer als die Körpertemperatur war, aktivierte den TRPV1-Ionenkanal, der als Schalter fungierte, um die Neuronen ein- oder auszuschalten.

"Wir können das Ultraschallgerät, das am Kopf von frei beweglichen Mäusen getragen wird, umherbewegen, um verschiedene Stellen im gesamten Gehirn anzusteuern", sagt Yaoheng Yang, Erstautor der Arbeit und Doktorand in Biomedizintechnik. "Weil es nicht-invasiv ist, hat diese Technik das Potenzial, auf große Tiere und möglicherweise Menschen in der Zukunft skaliert zu werden."

Die Arbeit baut auf Forschungen in Cuis Labor auf, die 2016 in Scientific Reports veröffentlicht wurden. Cui und sein Team fanden zum ersten Mal heraus, dass Ultraschall allein die Aktivität von Ionenkanälen beeinflussen kann, was zu neuen und nicht-invasiven Möglichkeiten führen könnte, die Aktivität bestimmter Zellen zu kontrollieren. In ihrer Arbeit fanden sie heraus, dass fokussierter Ultraschall die Ströme, die durch die Ionenkanäle fließen, im Durchschnitt um bis zu 23 % modulierte, je nach Kanal und Stimulusintensität. Im Anschluss an diese Arbeit fanden die Forscher fast 10 Ionenkanäle mit dieser Fähigkeit, aber alle sind mechanosensitiv, nicht thermosensitiv.

Die Arbeit baut auch auf dem Konzept der Optogenetik auf, der Kombination aus der gezielten Expression von lichtempfindlichen Ionenkanälen und der präzisen Zuführung von Licht zur Stimulation von Neuronen tief im Gehirn. Während die Optogenetik die Entdeckung neuer neuronaler Schaltkreise erhöht hat, ist sie aufgrund von Lichtstreuung in der Eindringtiefe begrenzt und erfordert die chirurgische Implantation von Lichtleitern.

Die Sonothermogenetik verspricht, jede Stelle im Mäusegehirn mit einer Auflösung im Millimeterbereich zu erreichen, ohne das Gehirn zu schädigen, so Chen. Sie und das Team arbeiten weiter an der Optimierung der Technik und an der weiteren Validierung ihrer Ergebnisse.