2022年8月10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）與香港理工大學孫雷實驗室在腦刺激和腦調控領域頂級期刊《腦刺激》（Brain stimulation）在線發表題為“Sonognetics: recent advances and future directions”的綜述論文。該論文從原理、細胞水平和動物水平研究對超聲遺傳學技術進行了梳理和總結，對下一步需要解決的問題做了展望。
超聲遺傳學借鑒光遺傳學策略，利用超聲波激活超聲敏感通道蛋白，從而控制特定神經元的活動。超聲波是一種頻率為亞 MHz 到幾 MHz的機械波，可以無創地穿過生物組織。因為它的安全性及高時空分辨，超聲波長期以來被用于成像。越來越多的證據表明低強度超聲會產生各種生物效應，為癌癥治療、骨愈合、基因和藥物輸送以及神經調控等新應用鋪平了道路。
聲遺傳學的第一個部件是超聲波。由壓電材料在一定頻率和電壓下驅動產生的超聲波可以通過引發高達~20 nm的粒子位移在彈性粘性介質中傳播。超聲波的傳播可以主動或被動地形成基于駐波、吸收和組織聲學特性梯度的聲壓梯度，并向介質引入稱為超聲輻射力的非零凈力。利用聲輻射力來激活神經元的優點是顯而易見的：1) 在生物系統中使用超聲波是安全的；2) 超聲波的傳播快速且易于控制，尤其是使用陣列系統，其中可以對超聲焦點進行編程，以根據需要創建特定的時空模式。超聲波可以作為一種獨特的激發源，以定義的時空模式控制整個大腦的神經活動。
聲遺傳學的第二個組成部分是超聲敏感通道蛋白。 2008 年首次發現超聲波可以通過激活膜通道來誘導突觸傳遞。超聲波對神經元的調控機制假設是，壓力可以使細胞膜變形以間接產生通道結構的構象變化，或直接作用于通道成分以產生跨膜的離子梯度。最近的一項研究表明，當超聲波使細胞膜偏轉時，它通過激活機械敏感離子通道來誘導神經去極化。最近，多種通道類型被證明可以在離體條件下被超聲激活，例如雙孔鉀（K2P）家族（TREK-1，TREK-2和TRAAK），壓電家族（Piezo1和 Piezo2）和 TRP 家族（TRPA1、TRPC1、TRPP2、TRPM4 和 TRPV1）。盡管尚不清楚哪些通道起主導作用，但這些發現為使用機械敏感離子通道作為聲控開關開發聲遺傳學奠定了堅實的基礎。
文章探討了超聲遺傳學的機制，著重對基于MscL-G22s、Prestin以及TRP通道的超聲遺傳學研究進行了深入的探討。對比了各個技術的優缺點，及其特性，包括時空分辨率、選擇性和特異性等。目前的挑戰包括：存在可能的聽覺干擾問題、安全性問題以及尋找抑制性超聲遺傳學通道蛋白等。將來的方向包括：開拓計算超聲遺傳學、無創超聲敏感通道蛋白的特異性表達以及拓展其在非人靈長類中的應用等。
基于MscL-G22s的超聲遺傳學技術
廣東省智能院實習生劉天燚為本文第一作者，廣東省智能院的丘志海研究員和香港理工大學的孫雷教授為論文的共同通訊作者，廣東省智能院為第一通訊單位。該項工作得到了斯坦福大學Mihyun Choi博士和西安電子科技大學費春龍教授的合作和支持，并獲得廣東省高水平創新研究院項目資助以及香港科技創新局等多項基金的支持。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X22002066
