Нейроны мышей почувствовали ультразвук механочувствительными ионными каналами

Китайские исследователи в эксперименте на мышах подтвердили, что мозг «чувствует» ультразвук низкой интенсивности благодаря механочувствительным ионным каналам Piezo1 в нейронах, говорится в статье опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

С помощью ультразвука медики могут с высокой точностью воздействовать на нужные зоны мозга. В клинических исследованиях с помощью транскраниальной стимуляции ультразвуком низкой интенсивности удавалось улучшать настроение при депрессии и усиливать реакции пациентов с хроническими расстройствами сознания. При этом до сих пор оставалось неясным, как именно ультразвук действует на нейроны мозга на клеточном и молекулярном уровне.

Ультразвуковые колебания, проходя сквозь среду, вызывают в ней волны сжатия: частицы сдвигаются на нанометровые расстояния, а затем возвращаются на место. В результате в среде генерируется тепло и может возникать кавитация. Ультразвук высокой интенсивности (с мощностью больше 1000 ватт на квадратный сантиметр) действует на живые ткани в основном за счет тепла. Если его сфокусировать в какой-то зоне мозга, можно прицельно уничтожать группы нейронов. Этот метод используют для неинвазивного лечения болезни Паркинсона, эссенциального тремора и обсессивно-компульсивного расстройства. Ультразвук низкой интенсивности (меньше 500 ватт на квадратный сантиметр) не вызывает значимого нагрева и кавитации и воздействует на клетки только механически.

В 2019 году Лэй Сунь (Lei Sun) из Гонконгского политехнического университета с коллегами показали в экспериментах на клетках, что ультразвук действует на нейроны, у которых есть функционирующие ионные (а именно кальциевые) каналы Piezo1, реагирующие на механическое раздражение. Теперь эта же группа исследователей проверила роль этих каналов уже in vivo — на мышах.

Сначала ученые с помощью иммунофлуоресцентных меток подтвердили, что Piezo1 экспрессируется в достаточном количестве в коре мышиного мозга, причем как в нейронах, так и в астроцитах. После этого они воспользовались генетическим индикатором кальция GCaMP6s, чтобы изучить реакции нейронов в свежих срезах мозга обычных мышей и нокаутных по гену PIEZO1. Как и ожидалось, ток кальция усиливался в обычных нейронах под действием Yoda1 (агониста Piezo1), а в нокаутных — не изменялся, как и в обычных при одновременном введении антагониста Piezo1 рутениевого красного. Полностью аналогичная картина наблюдалась, когда Yoda1 заменяли импульсами ультразвука частотой 0,5 мегагерца, что соответствует результатам, полученным ранее на культурах клеток.

У живых мышей, в чьих нейронах были «выключены» каналы PIEZO1 , была значительно снижена по сравнению с контрольными амплитуда движений левых конечностей, когда ультразвуком воздействали на моторную кору правого полушария мозга. Прямая регистрация активности нейронов с помощью оптоволоконной фотометрии и GCaMP6s, так и непрямая — по маркеру c-Fos, показали сниженный ответа на ультразвуковую стимуляцию нейронов у таких животных.

Картирование с помощью иммунофлуоресцентных меток показало, что Piezo1 стойко (и больше, чем в коре) экспрессируется в центральном ядре миндалевидного тела (CEA), опорном ядре краевой полоски (BNST), паравентрикулярном ядре гипоталамуса (PVN), добавочном ядре глазодвигательного нерва (EW) и красном ядре среднего мозга (RN).

Из этих структур внимание исследователей привлекло ядро CEA, поскольку это классическая мишень для экспериментов по контролю защитного и поискового (аппетентного) поведения. Экспериментируя с выключением гена PIEZO1 в разных клетках этого ядра, они установили, что его нейроны еще более чувствительны к активации ультразвуком, чем нейроны моторной коры. При этом нокаут PIEZO1 в астроцитах на функции нейронов значимо не влиял.

В сумме эти данные свидетельствуют о том, что Piezo1 действительно служит ключевым мишенью для ультразвуковой нейромодуляции. Это открывает путь к дальнейшим исследованиям нейробиологических эффектов ультразвука, а также потенциала его экспериментального и клинического применения, пишут авторы работы.

Ранее было показано, что к ультразвуку чувствительны и другие ионные каналы — TRPA1, которые служат рецепторами боли, зуда, температуры и острого вкуса. На их основе разработан метод генноинженерного управления клеточными функциями, аналогичный оптогенетике, в котором вместо света используется ультразвук — он получил название соногенетики.