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Un nuovo strumento attiva i neuroni del cervello profondo combinando ultrasuoni e genetica

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È il primo lavoro a dimostrare che la sonotermogenetica può controllare il comportamento stimolando un obiettivo specifico nel profondo del cervello

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Disturbi neurologici come il morbo di Parkinson e l'epilessia hanno avuto qualche successo nel trattamento con la stimolazione cerebrale profonda, ma questi richiedono l'impianto di un dispositivo chirurgico. Un team multidisciplinare della Washington University di St. Louis ha sviluppato una nuova tecnica di stimolazione cerebrale utilizzando ultrasuoni focalizzati che è in grado di accendere e spegnere specifici tipi di neuroni nel cervello e controllare con precisione l'attività motoria senza l'impianto di un dispositivo chirurgico.

Il team di ricerca senior comprendeva esperti rinomati nei loro campi sia dalla McKelvey School of Engineering che dalla School of Medicine, tra cui Jianmin Cui, professore di ingegneria biomedica; Joseph P. Culver, professore di radiologia, di fisica e di ingegneria biomedica; Mark J. Miller, professore associato di medicina nella divisione di malattie infettive del dipartimento di medicina; e Michael Bruchas, già della Washington University, ora professore di anestesiologia e farmacologia all'Università di Washington.

"Il nostro lavoro ha fornito la prova che la sonotermogenetica evoca risposte comportamentali in topi che si muovono liberamente, mentre prende di mira un sito profondo del cervello", ha detto Chen. "La sonotermogenetica ha il potenziale per trasformare i nostri approcci per la ricerca in neuroscienze e scoprire nuovi metodi per comprendere e trattare i disturbi del cervello umano"

Usando un modello di topo, Chen e il team hanno consegnato un costrutto virale contenente canali ionici TRPV1 a neuroni geneticamente selezionati. Poi, hanno consegnato piccole raffiche di calore tramite ultrasuoni focalizzati a bassa intensità ai neuroni selezionati nel cervello tramite un dispositivo indossabile. Il calore, solo pochi gradi più caldo della temperatura corporea, ha attivato il canale ionico TRPV1, che ha agito come un interruttore per accendere o spegnere i neuroni.

"Possiamo spostare il dispositivo a ultrasuoni indossato sulla testa dei topi che si muovono liberamente per mirare a diverse posizioni in tutto il cervello", ha detto Yaoheng Yang, primo autore dell'articolo e studente laureato in ingegneria biomedica. "Poiché non è invasiva, questa tecnica ha il potenziale per essere scalata a grandi animali e potenzialmente agli esseri umani in futuro"

Il lavoro si basa su una ricerca condotta nel laboratorio di Cui che è stata pubblicata su Scientific Reports nel 2016. Cui e il suo team hanno scoperto per la prima volta che gli ultrasuoni da soli possono influenzare l'attività dei canali ionici e potrebbero portare a modi nuovi e non invasivi per controllare l'attività di cellule specifiche. Nel loro lavoro, hanno scoperto che gli ultrasuoni focalizzati hanno modulato le correnti che scorrono attraverso i canali ionici in media fino al 23%, a seconda del canale e dell'intensità dello stimolo. In seguito a questo lavoro, i ricercatori hanno trovato quasi 10 canali ionici con questa capacità, ma tutti sono meccanosensibili, non termosensibili.

Il lavoro si basa anche sul concetto di optogenetica, la combinazione dell'espressione mirata di canali ionici sensibili alla luce e la consegna precisa della luce per stimolare i neuroni in profondità nel cervello. Mentre l'optogenetica ha aumentato la scoperta di nuovi circuiti neurali, è limitata nella profondità di penetrazione a causa della dispersione della luce e richiede l'impianto chirurgico di fibre ottiche.

La sonotermogenetica ha la promessa di mirare a qualsiasi posizione nel cervello del topo con risoluzione su scala millimetrica senza causare alcun danno al cervello, ha detto Chen. Lei e il team continuano a ottimizzare la tecnica e a convalidare ulteriormente i loro risultati.