Les troubles neurologiques tels que la maladie de Parkinson et l’épilepsie ont eu un certain succès dans le traitement avec une stimulation cérébrale profonde, mais ceux-ci nécessitent l’implantation d’un dispositif chirurgical.
Une équipe multidisciplinaire de l’Université de Washington à Saint-Louis a développé une nouvelle technique de stimulation cérébrale utilisant des ultrasons focalisés qui est capable d’activer et de désactiver des types spécifiques de neurones dans le cerveau et de contrôler avec précision l’activité motrice sans implantation de dispositif chirurgical.
L’équipe, dirigée par Hong Chen, professeur adjoint de génie biomédical à la McKelvey School of Engineering et de radio-oncologie à la School of Medicine, est la première à fournir des preuves directes montrant l’activation non invasive et spécifique du type de cellule des neurones dans le cerveau. de mammifère en combinant l’effet de chauffage induit par ultrasons et la génétique, qu’ils ont nommé sonothermogénétique.
C’est aussi le premier travail à montrer que la combinaison échographie-génétique peut contrôler de manière robuste le comportement en stimulant une cible spécifique au plus profond du cerveau.
Les résultats des trois années de recherche, financées en partie par l’initiative BRAIN des National Institutes of Health, ont été publiés en ligne sur Stimulation cérébrale 11 mai 2021.
L’équipe de recherche senior comprenait des experts renommés dans leurs domaines de la McKelvey School of Engineering et de la School of Medicine, y compris Jianmin Cui, professeur de génie biomédical; Joseph P. Culver, professeur de radiologie, de physique et de génie biomédical; Mark J. Miller, professeur agrégé de médecine à la Division des maladies infectieuses du Département de médecine; et Michael Bruchas, anciennement de l’Université de Washington, maintenant professeur d’anesthésiologie et de pharmacologie à l’Université de Washington.
Nos travaux ont fourni des preuves que la sonothermogénétique évoque des réponses comportementales chez des souris en mouvement libre tout en ciblant un site cérébral profond. La sonothermogénétique a le potentiel de transformer nos approches de recherche en neurosciences et de découvrir de nouvelles méthodes pour comprendre et traiter les troubles du cerveau humain. «
Hong Chen, professeur adjoint, génie biomédical, McKelvey School of Engineering
En utilisant un modèle de souris, Chen et l’équipe ont livré une construction virale contenant des canaux ioniques TRPV1 à des neurones génétiquement sélectionnés. Ensuite, ils ont délivré une petite explosion de chaleur via des ultrasons focalisés de faible intensité aux neurones sélectionnés dans le cerveau via un appareil portable. La chaleur, seulement quelques degrés plus chaude que la température corporelle, a activé le canal ionique TRPV1, qui a agi comme un interrupteur pour allumer ou éteindre les neurones.
« Nous pouvons déplacer l’appareil à ultrasons porté sur la tête de souris en mouvement libre pour cibler différents endroits dans tout le cerveau », a déclaré Yaoheng Yang, premier auteur de l’article et étudiant diplômé en génie biomédical. « Parce qu’elle n’est pas invasive, cette technique a le potentiel d’être étendue aux grands animaux et potentiellement aux humains dans le futur. »
Les travaux s’appuient sur des recherches menées dans le laboratoire de Cui qui ont été publiées dans Scientific Reports en 2016. Cui et son équipe ont découvert pour la première fois que les ultrasons seuls peuvent influencer l’activité des canaux ioniques et pourraient conduire à des moyens nouveaux et non invasifs de contrôler l’activité de cellules spécifiques .
Dans leur travail, ils ont découvert que les ultrasons focalisés modulaient les courants circulant dans les canaux ioniques en moyenne jusqu’à 23%, en fonction du canal et de l’intensité du stimulus. À la suite de ces travaux, les chercheurs ont trouvé près de 10 canaux ioniques dotés de cette capacité, mais tous sont mécanosensibles et non thermosensibles.
Les travaux s’appuient également sur le concept d’optogénétique, la combinaison de l’expression ciblée de canaux ioniques sensibles à la lumière et la délivrance précise de lumière pour stimuler les neurones au plus profond du cerveau. Alors que l’optogénétique a accru la découverte de nouveaux circuits neuronaux, sa profondeur de pénétration est limitée en raison de la diffusion de la lumière et nécessite l’implantation chirurgicale de fibres optiques.
La sonothermogénétique a la promesse de cibler n’importe quel endroit du cerveau de la souris avec une résolution millimétrique sans causer de dommages au cerveau, a déclaré Chen. Elle et l’équipe continuent d’optimiser la technique et de valider davantage leurs résultats.
La source:
Université de Washington à Saint-Louis
Référence du journal:
Yang, Y., et al. (2021) Sonothermogénétique pour la neuromodulation cérébrale profonde non invasive et spécifique au type cellulaire. Stimulation cérébrale. doi.org/10.1016/j.brs.2021.04.021.
