ทีมงานที่นำโดย Hong Chen ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ใน McKelvey School of Engineering และรังสีรักษาที่ School of Medicine เป็นกลุ่มแรกที่ให้หลักฐานโดยตรงที่แสดงถึงการกระตุ้นเซลล์ประสาทในสมองที่ไม่รุกล้ำเฉพาะเซลล์ ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมโดยการรวมผลการให้ความร้อนและพันธุกรรมที่เกิดจากอัลตราซาวนด์เข้าด้วยกัน ซึ่งพวกมันได้ตั้งชื่อว่า sonothermogenetics นอกจากนี้ยังเป็นงานแรกที่แสดงให้เห็นว่าการผสมผสานระหว่างอัลตราซาวนด์กับพันธุศาสตร์สามารถควบคุมพฤติกรรมได้อย่างแข็งแกร่งโดยการกระตุ้นเป้าหมายเฉพาะที่อยู่ลึกลงไปในสมอง

ผลการวิจัย 3 ปี ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจากโครงการ BRAIN Initiative ของสถาบันสุขภาพแห่งชาติ เผยแพร่ทางออนไลน์ในBrain Stimulation 11 พฤษภาคม พ.ศ. 2564

ทีมวิจัยอาวุโสรวมผู้เชี่ยวชาญจากทั้ง McKelvey School of Engineering และ School of Medicine รวมถึง Jianmin Cui ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ โจเซฟ พี. คัลเวอร์ ศาสตราจารย์ด้านรังสีวิทยา ฟิสิกส์ และวิศวกรรมชีวการแพทย์ Mark J. Miller รองศาสตราจารย์ด้านการแพทย์ แผนกโรคติดเชื้อ ภาควิชาแพทยศาสตร์; และ Michael Bruchas ซึ่งเคยเป็นมหาวิทยาลัย Washington ปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์ด้านวิสัญญีวิทยาและเภสัชวิทยาที่มหาวิทยาลัย Washington

"งานของเราให้หลักฐานว่า sonothermogenetics กระตุ้นการตอบสนองทางพฤติกรรมในหนูที่เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระในขณะที่กำหนดเป้าหมายไปยังบริเวณสมองส่วนลึก" Chen กล่าว Sonothermogenetics มีศักยภาพที่จะเปลี่ยนแนวทางการวิจัยด้านประสาทวิทยาของเราและค้นพบวิธีการใหม่ในการทำความเข้าใจและรักษาความผิดปกติของสมองของมนุษย์"

การใช้แบบจำลองเมาส์ Chen และทีมงานได้ส่งโครงสร้างไวรัสที่มีช่องไอออน TRPV1 ไปยังเซลล์ประสาทที่ได้รับการคัดเลือกทางพันธุกรรม จากนั้นพวกเขาส่งความร้อนเล็กน้อยผ่านอัลตราซาวนด์ที่เน้นความเข้มต่ำไปยังเซลล์ประสาทที่เลือกในสมองผ่านอุปกรณ์สวมใส่ ความร้อนซึ่งอุ่นกว่าอุณหภูมิของร่างกายเพียงไม่กี่องศา เปิดใช้งานช่องไอออน TRPV1 ซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์เพื่อเปิดหรือปิดเซลล์ประสาท

"เราสามารถเคลื่อนย้ายอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ที่สวมอยู่บนหัวของหนูที่เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระเพื่อกำหนดเป้าหมายไปยังตำแหน่งต่างๆ ในสมองทั้งหมด" เหยาเหิงหยาง ผู้เขียนบทความฉบับแรกและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์กล่าว "เนื่องจากไม่เป็นอันตราย เทคนิคนี้มีศักยภาพที่จะขยายไปสู่สัตว์ขนาดใหญ่และมนุษย์ในอนาคตได้"

งานนี้สร้างขึ้นจากการวิจัยที่ดำเนินการในห้องทดลองของ Cui ซึ่งตีพิมพ์ในรายงานทางวิทยาศาสตร์ในปี 2559 Cui และทีมของเขาพบว่าเป็นครั้งแรกที่อัลตราซาวนด์เพียงอย่างเดียวสามารถมีอิทธิพลต่อกิจกรรมช่องไอออนและอาจนำไปสู่วิธีการใหม่และไม่เป็นอันตรายในการควบคุมกิจกรรมของเซลล์เฉพาะ . ในงานของพวกเขา พวกเขาพบว่าอัลตราซาวนด์แบบโฟกัสปรับกระแสที่ไหลผ่านช่องไอออนโดยเฉลี่ยสูงถึง 23% ขึ้นอยู่กับช่องทางและความเข้มของสิ่งเร้า หลังจากงานนี้ นักวิจัยพบว่ามีช่องไอออนเกือบ 10 ช่องที่มีความสามารถนี้ แต่ช่องไอออนทั้งหมดมีความไวต่อกลไก ไม่ไวต่อความร้อน

งานนี้ยังต่อยอดจากแนวคิดของออพโตเจเนติกส์ การรวมกันของการแสดงออกเป้าหมายของช่องไอออนที่ไวต่อแสงและการส่งแสงที่แม่นยำเพื่อกระตุ้นเซลล์ประสาทที่อยู่ลึกเข้าไปในสมอง ในขณะที่ออพโตเจเนติกส์ได้เพิ่มการค้นพบวงจรประสาทใหม่ แต่ก็มีข้อจำกัดในความลึกในการเจาะเนื่องจากการกระเจิงของแสงและต้องมีการผ่าตัดฝังใยแก้วนำแสง

Sonothermogenetics มีสัญญาว่าจะกำหนดเป้าหมายตำแหน่งใด ๆ ในสมองของเมาส์ด้วยความละเอียดระดับมิลลิเมตรโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อสมอง Chen กล่าว เธอและทีมงานยังคงเพิ่มประสิทธิภาพเทคนิคและตรวจสอบผลการค้นพบต่อไป