超声可以打开机械敏感离子通道？孙雷/丘志海证实Piezo1是超声神经调控的关键介质
文章导读：
香港理工大学孙雷教授和广东省智能科学与技术研究院丘志海研究员团队合作，发现机械敏感性离子通道Piezo1，可以促进超声刺激诱导的神经信号调控，有助于以后研究制定更有效、更有针对性的超声神经调控策略。
开发出无创而又高时空分辨率的神经调控方法一直是神经科学家们梦寐以求的目标。超声波可以无损地穿过颅骨并被聚焦在大脑的任意毫米级区域，具有无创、穿透深度深、时空精度高等优点，因此是一种极具发展前景的神经调控技术。然而，其潜在的生物学机制尚不清楚，限制了其进一步开发利用的潜力。
2023年4月25日，香港理工大学孙雷教授和广东省智能科学与技术研究院丘志海研究员团队合作在《PNAS》杂志上发表题为“The mechanosensitive ion channel Piezo1 contributes to ultrasound neuromodulation”的研究论文。在该研究中，作者发现机械敏感性离子通道Piezo1在不同的脑区具有功能性表达，并且确认了Piezo1是大脑中超声神经调节的关键介质，为进一步的超声神经调控机制研究奠定了基础。
超声波是指频率高于人类可听范围上限(20 kHz)的声波，当介质暴露于超声时，会发生纳米级的压缩和粒子位移，当粒子恢复到原始构型时，会产生热、空化或声辐射力等。根据能量水平，超声可分为高强度和低强度。高强度超声产生的热量可用于开发高强度聚焦超声(空间-峰值-时间平均强度，spatial-peak temporal average intensity，ISPTA>1000 W/cm2)，该技术已被用于特发性震颤、帕金森病和强迫症等神经系统疾病的治疗。然而，在不损伤细胞的情况下对神经活动进行调节需要采用低强度超声(ISPTA<500 mW/cm2)，其诱发的温度变化小于0.1℃。已有的研究证实，利用低强度超声来刺激敲除和未敲除热敏离子通道的秀丽隐杆线虫，其神经元反应并没有差异，这意味着低强度超声诱导的神经调控依赖的是机械机制而非热机制。并且作者之前的研究已经证实机械敏感离子通道Piezo1在体外神经元的超声调控中有重要贡献。因此，作者希望进一步确定Piezo1在活体动物超声神经调控中的作用。
在该研究中，作者利用Piezo1条件敲除(P1KO)的小鼠模型来研究Piezo1在超声神经调节中的作用。基于P1KO小鼠模型，作者在离体组织和活体内测试了超声诱导的神经元活性。在急性分离的脑片中，超声诱导的钙内流在P1KO小鼠神经元和使用Piezo1阻断剂钌红(ruthenium red, RR)预处理的正常小鼠神经元中显著低于Piezo1正常表达的神经元，表明Piezo1是离体脑片中神经元信号超声调节的重要介质。
在活体动物中，作者发现P1KO显著降低了超声刺激小鼠右侧运动皮层诱导的神经元钙反应、肢体运动和肌电幅度。并且作者还检测到Piezo1在中央杏仁核(central amygdala, CEA)中表达更高，因此CEA对超声刺激比皮质更敏感。敲除Piezo1的CEA神经元对超声刺激的反应性明显降低，而敲除CEA星形胶质细胞中的Piezo1对超声刺激诱导的神经元反应性无明显影响。这些结果证明Piezo1是小鼠脑内超声神经调控的关键介质，并为其在不同脑区的空间分布提供了参考。
图2.皮质Piezo1是超声调控运动行为的重要介质
综上，该研究证实了机械敏感离子通道Piezo1是超声神经元信号调节和动物行为的关键介质。这为开发更有效、更有针对性的超声神经调控策略铺平了道路，并可能为一系列神经和精神疾病的治疗提供广阔的途径。
