2023年5月31日，廣東省智能科學與技術研究院（以下簡稱“廣東省智能院”）丘志海實驗室（多尺度神經網絡成像和操控研究組）和香港理工大學孫雷實驗室在國際著名學術期刊《The Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)（美國國家科學院院刊）在線發表了題為“The mechanosensitive ion channel Piezo1 contributes to ultrasound neuromodulation”的論文。該論文揭示了超聲Piezo1在經顱超聲神經調控中的介導作用，填補了超聲神經調控機制研究的空白，或為超聲神經調控的應用和工具開發提供理論基礎。
超聲神經調控被認為是下一代神經調控技術，它具有非侵入性、高穿透性、高時空分辨率以及良好的生物兼容性等獨特的優勢[1, 2]。超聲神經調控除了可以用于研究腦功能外，還在多種疾病模型治療中顯示了良好效果。然而，由于其機制尚不清楚，超聲神經調控的效果有時難以預測，甚至在一些研究中出現了相反的結果，這顯然阻礙了用超聲神經調控研究腦功能和治療腦疾病的臨床轉化[2]。因此，理解超聲神經調控的機制，對于精準，高效，安全的超聲神經調控具有重大意義。
超聲波是一種機械波，被認為是以機械力的形式影響和調控神經元中機械敏感性通道從而起作用。團隊前期工作在離體培養神經元的研究結果，支持該觀點，即超聲可以打開機械敏感通道蛋白，引起鈣離子內流，從而調控神經元活動（iScience，2019）。在離體體系中超聲波可以通過調控機械敏感通道誘發神經元活動受到廣泛的認可。
然而目前超聲神經調控的體內機制研究還十分有限。Ellen A. Lumpkin實驗組近期發現機械敏感性通道蛋白Piezo2參與了超聲引起的外周感覺神經元的動作電位的發生[3]，這一方面驗證了機械敏感通道蛋白在體內參與超聲神經調控的重要作用。另一方面，盡管該研究是在外周神經系統中行進的，該研究成果提示了Piezo家族，目前發現的最敏感的機械敏感通道，可能在中樞神經系統的超聲神經調控發揮作用。本論文研究結果發現，PIEZO1在體內的超聲神經調控具有重要作用，特別是在神經元中，其對超聲的響應低至0.06 MPa（PNAS 2023），對超聲的響應具有高敏感性。神經元Piezo1是體內超聲神經調控的關鍵因素。
廣東省智能院博士后朱杰君為本文第一作者，香港理工大學博士后冼銓香、侯玄迪為共同第一作者，丘志海研究員與孫雷教授同為論文的通訊作者，該項工作得到了廣東省高水平創新研究院項目、廣東省重點區域研究開發計劃、香港研究資助局一般研究基金和深港澳科技合作計劃項目的支持。
[1] Blackmore J, Shrivastava S, Sallet J, et al. Ultrasound Neuromodulation: A Review of Results, Mechanisms and Safety. Ultrasound Med Biol, 2019, 45(7): 1509-1536.
[2] Fomenko A, Neudorfer C, Dallapiazza R F, et al. Low-intensity ultrasound neuromodulation: An overview of mechanisms and emerging human applications. Brain Stimul, 2018, 11(6): 1209-1217.
[3] Hoffman B U, Baba Y, Lee S A, et al. Focused ultrasound excites action potentials in mammalian peripheral neurons in part through the mechanically gated ion channel PIEZO2. Proc Natl Acad Sci U S A, 2022, 119(21): e2115821119.
