2022年8月10日，江門市新會區威信高技術科學研究所（以下(xià)簡稱廣東省智能院）丘志(zhì)海實驗室（多尺度神經網絡成像和操控研究組）與香港理工(gōng)大(dà)學孫雷實驗室在腦刺激和腦調控領域頂級期刊《腦刺激》（Brain stimulation）在線發表題爲“Sonognetics: recent advances and future directions”的綜述論文。該論文從原理、細胞水平和動物(wù)水平研究對超聲遺傳學技術進行了梳理和總結，對下(xià)一(yī)步需要解決的問題做了展望。

超聲遺傳學借鑒光遺傳學策略，利用超聲波激活超聲敏感通道蛋白(bái)，從而控制特定神經元的活動。超聲波是一(yī)種頻(pín)率爲亞 MHz 到幾 MHz的機械波，可以無創地穿過生(shēng)物(wù)組織。因爲它的安全性及高時空分(fēn)辨，超聲波長期以來被用于成像。越來越多的證據表明低強度超聲會産生(shēng)各種生(shēng)物(wù)效應，爲癌症治療、骨愈合、基因和藥物(wù)輸送以及神經調控等新應用鋪平了道路。

聲遺傳學的第一(yī)個部件是超聲波。由壓電(diàn)材料在一(yī)定頻(pín)率和電(diàn)壓下(xià)驅動産生(shēng)的超聲波可以通過引發高達~20 nm的粒子位移在彈性粘性介質中(zhōng)傳播。超聲波的傳播可以主動或被動地形成基于駐波、吸收和組織聲學特性梯度的聲壓梯度，并向介質引入稱爲超聲輻射力的非零淨力。利用聲輻射力來激活神經元的優點是顯而易見的：1) 在生(shēng)物(wù)系統中(zhōng)使用超聲波是安全的；2) 超聲波的傳播快速且易于控制，尤其是使用陣列系統，其中(zhōng)可以對超聲焦點進行編程，以根據需要創建特定的時空模式。超聲波可以作爲一(yī)種獨特的激發源，以定義的時空模式控制整個大(dà)腦的神經活動。

聲遺傳學的第二個組成部分(fēn)是超聲敏感通道蛋白(bái)。 2008 年首次發現超聲波可以通過激活膜通道來誘導突觸傳遞。超聲波對神經元的調控機制假設是，壓力可以使細胞膜變形以間接産生(shēng)通道結構的構象變化，或直接作用于通道成分(fēn)以産生(shēng)跨膜的離(lí)子梯度。最近的一(yī)項研究表明，當超聲波使細胞膜偏轉時，它通過激活機械敏感離(lí)子通道來誘導神經去(qù)極化。最近，多種通道類型被證明可以在離(lí)體(tǐ)條件下(xià)被超聲激活，例如雙孔鉀（K2P）家族（TREK-1，TREK-2和TRAAK），壓電(diàn)家族（Piezo1和 Piezo2）和 TRP 家族（TRPA1、TRPC1、TRPP2、TRPM4 和 TRPV1）。盡管尚不清楚哪些通道起主導作用，但這些發現爲使用機械敏感離(lí)子通道作爲聲控開(kāi)關開(kāi)發聲遺傳學奠定了堅實的基礎。

文章探讨了超聲遺傳學的機制，着重對基于MscL-G22s、Prestin以及TRP通道的超聲遺傳學研究進行了深入的探讨。對比了各個技術的優缺點，及其特性，包括時空分(fēn)辨率、選擇性和特異性等。目前的挑戰包括：存在可能的聽(tīng)覺幹擾問題、安全性問題以及尋找抑制性超聲遺傳學通道蛋白(bái)等。将來的方向包括：開(kāi)拓計算超聲遺傳學、無創超聲敏感通道蛋白(bái)的特異性表達以及拓展其在非人靈長類中(zhōng)的應用等。

基于MscL-G22s的超聲遺傳學技術

    廣東省智能院實習生(shēng)劉天燚爲本文第一(yī)作者，廣東省智能院的丘志(zhì)海研究員(yuán)和香港理工(gōng)大(dà)學的孫雷教授爲論文的共同通訊作者，廣東省智能院爲第一(yī)通訊單位。該項工(gōng)作得到了斯坦福大(dà)學Mihyun Choi博士和西安電(diàn)子科技大(dà)學費(fèi)春龍教授的合作和支持，并獲得廣東省高水平創新研究院項目資(zī)助以及香港科技創新局等多項基金的支持。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X22002066