Человеческий рецептор боли позволил неинвазивно активировать нейроны мыши ультразвуком

Американские исследователи показали, что человеческий рецептор боли и ирритантов TRPA1 можно активировать ультразвуком. Используя это свойство, ученые встроили TRPA1 в моторную кору мыши и при помощи неинвазивного излучения заставили ее дергать лапой. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Уже довольно давно нейробиологи выяснили, что нейроны млекопитающих можно активировать при помощи ультразвука в определенном диапазоне частот, и этот факт даже пробовали использовать для лечения хронических болей у людей. Мы также рассказывали, как ультразвуковая стимуляция мозга обезьян повлияла на их решения. Тем не менее, механизм активации ультразвуком оставался неизвестным. Ученые предполагали, что это связано с активацией механорецепторов звуковым пучком. Действительно, несколько известных механорецепторов при сверхэкспрессии в модельных клетках под действием ультразвука достаточно высокой частоты (10 мегагерц) начинали проводить ток.

Американские биологи из Института Солка и Университета Калифорнии в Сан-Диего обнаружили, что ультразвук эффективно активирует хорошо изученный человеческий рецептор TRPA1, что приводит к возникновению разности потенциалов на клеточной мембране. Экспрессия этого ионного канала в нейронах позволила направленно включать их ультразвуком — как in vitro в чашке Петри, так и in vivo в мышином мозге.

Белок TRPA1 это ионный канал, который под действием ряда факторов открывается и начинает пропускать ионы кальция, что приводит к возбуждению нейрона. Он известен также как «рецептор васаби» из-за того, что его индуцирует аллил изотиоцианат — активный компонент хрена и горчицы. Кроме разнообразных едких веществ канал открывается под действием холода и является компонентом системы ноцицепции, то есть восприятия боли.

Ученые обнаружили способность активировать TRPA1 ультразвуком в процессе масштабного скрининга, по ходу которого проверили на клетках почти 200 разных ионных каналов. Оказалось, что именно человеческий TRPA1 лучше всего отвечает на ультразвук требуемого диапазона (стабильно вызывает внутриклеточный ток кальция), и подходит для искусственной активации нейронов млекопитающих. Анализируя причины индукции TRPA1 ультразвуком, авторы работы обнаружили, что она происходит независимо от индукции химическими веществами, и, по-видимому, завязана на цитоскелет, то есть действительно скорее механической природы.

После проверки на изолированных нейронах, ученые перешли к экспериментам на мышах. Группе животных в мозг ввели адено-ассоциированный вирус с геном TRPA1, чтобы экспрессировать канал в определенном слое моторной коры, контролирующей конечности (известно, что в мозге TRPA1 в норме не работает). Через пару недель был проведен эксперимент по индукции — мышам неинвазивно прикладывали к черепу передатчик и направленным пучком ультразвука с частотой 7 мегагерц в течение 100 миллисекунд индуцировали канал. В этот момент у животного подергивалась конечность, что означало успешную активацию участка коры.

После эксперимента авторы работы проверили у животных отсутствие утечки белков из крови в мозг, таким образом подтвердив, что гематоэнцефалический барьер не был нарушен в процессе. На поведение мышей ультразвук так же не повлиял. По результатам проверок ученые сделали вывод, что стимуляция ультразвуком является удобным и безопасным неинвазивным методом. По аналогии с оптогенетикой такой метод активации модифицированных нейронов назвали соногенетикой, при этом для него не нужно вставлять в мозг оптоволокно.

Недавно для тех же целей исследователи

применить другой ионный канал — термочувствительный TRPV1, однако в упомянутом эксперименте ультразвук вызывал разогревание ткани и опосредованную активацию канала, поэтому метод назвали сонотермогенетикой.

Дарья Спасская