該項研究將超聲輻射力和機械敏感性離子通道結(jié)合起來，在神經(jīng)元上通過超聲刺激激活機械敏感性離子通道，并進而控制神經(jīng)元的興奮性。該成果開拓了超聲在腦科學研究中的新方向，為超聲遺傳學技術的進一步發(fā)展奠定了基礎，具有重要的理論意義和應用價值。

近來興起的光遺傳學技術，被稱為是21世紀神經(jīng)科學領域引人注目的革新，在猴、鼠、果蠅、線蟲等模式生物中得到廣泛應用。其主要原理是采用基因操作技術將細菌的光敏感蛋白轉(zhuǎn)入到特定類型的神經(jīng)元中進行表達，并通過不同波長的光照刺激光敏感蛋白，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。但是在哺乳動物中，光遺傳學技術需要通過顱骨手術將特定波長的光線引入腦中，這種創(chuàng)傷性為其在活體的應用帶來一定的局限。因此，越來越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向無損傷的方法，比如通過超聲，可以無損傷地穿透深入大腦或其他組織內(nèi)部，并且可以通過聚焦獲得定位。

由于細胞對超聲的響應能力有限，為了達到通過超聲控制神經(jīng)元的目的，需要找到一種介質(zhì)既可以很好地響應超聲刺激，又可以在神經(jīng)元表達并賦予神經(jīng)元靈敏的超聲敏感性。考慮到超聲的機械效應，機械敏感性離子通道是一個很好的選擇。機械敏感性離子通道是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型離子通道，有別于傳統(tǒng)的電壓敏感，以及配體門控類型的離子通道，它感受細胞形變等方式導致的膜張力的變化而開放，引起細胞內(nèi)外離子的跨膜運輸，參與介導眾多的生命活動，其功能愈來愈受到重視。李月舟課題組以來致力于機械敏感性離子通道開放機制和功能研究，鄭海榮課題組掌握了*的超聲輻射力神經(jīng)調(diào)控技術，在超聲神經(jīng)調(diào)控儀器研制方面積累了豐富的經(jīng)驗，兩者的合作促成了該項研究。

實驗中，課題組選擇了來自細菌的機械敏感性離子通道MscL。MscL具有作為納米開關的天然優(yōu)勢。它結(jié)構簡單，只有136個氨基酸，容易在真核生物表達；它自身可以直接被膜張力所激活，并且不需要其它成分的參與；它開放形成30埃左右的巨大孔徑，通透效率高；它不和其它蛋白相互作用，不會干擾細胞的其它功能。課題組首先構建了重組MscL基因的病毒，然后通過病毒感染在原代培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)元中表達MscL通道。結(jié)果表明MscL可以在神經(jīng)元上功能性表達，并對機械刺激保持敏感（圖2）。

在基金委重大科研儀器支持下，鄭海榮課題組設計開發(fā)了一系列跨尺度超聲神經(jīng)調(diào)控工具（圖3）。超聲輻射力神經(jīng)刺激芯設計基于不同主頻叉指換能器指條寬度、形狀、對數(shù)和聲孔徑尺寸，通過標準微納加工技術光刻，濺射叉指換能器電極，制備微型聲場可調(diào)超聲神經(jīng)刺激芯片，產(chǎn)生高強度局域聲場及超聲輻射力可有效作用于神經(jīng)元細胞。該芯片可與鈣成像、膜片鉗等生物學手段相兼容，實時監(jiān)測超聲誘發(fā)的生物效應，為超聲神經(jīng)調(diào)控治療神經(jīng)類疾病提供基礎和理論依據(jù)。同時研制的動物超聲神經(jīng)刺激系統(tǒng)可對深部腦核團和神經(jīng)環(huán)路開展、動態(tài)和網(wǎng)絡式的神經(jīng)刺激與調(diào)控。該技術和工具的研制可在腦疾病的研究、神經(jīng)科學基礎研究及其相關領域科學廣泛應用。該研究結(jié)果為后續(xù)的活體超聲遺傳學奠定了基礎，并有望通過進一步開發(fā)的多面陣、多焦點的深部腦刺激超聲調(diào)控儀器解析神經(jīng)環(huán)路，并對帕金森癥、抑郁癥等腦疾病提供新的研究，甚至是治療的有效新工具。