Une nouvelle technologie permet aux chercheurs de moduler le cerveau avec précision et flexibilité

Les maladies du cerveau humain, telles que la maladie de Parkinson, impliquent des lésions dans plusieurs régions du cerveau, nécessitant une technologie capable de traiter simultanément avec précision et flexibilité toutes les régions touchées.

Des chercheurs de l'Université de Washington à Saint-Louis ont développé une technologie non invasive combinant un dispositif acoustique holographique avec le génie génétique qui leur permet de cibler avec précision les neurones affectés dans le cerveau, créant ainsi le potentiel de moduler avec précision des types de cellules sélectionnés dans plusieurs régions cérébrales malades.

Hong Chen, professeur agrégé de génie biomédical à la McKelvey School of Engineering et de neurochirurgie à la School of Medicine, et son équipe ont créé AhSonogenetics, ou sonogénétique holographique à faisceau aérien, une technique qui utilise un appareil à ultrasons portable non invasif pour modifier les neurones génétiquement sélectionnés. dans le cerveau des souris. Les résultats de l'étude de validation de principe ont été publiés dans Actes de l'Académie nationale des sciences le 17 juin.

AhSonogenetics rassemble plusieurs avancées récentes du groupe de Chen en une seule technologie. En 2021, elle et son équipe ont lancé Sonogenetics, une méthode qui utilise des ultrasons focalisés pour délivrer une construction virale contenant des canaux ioniques sensibles aux ultrasons à des neurones génétiquement sélectionnés dans le cerveau. Ils utilisent des ultrasons focalisés de faible intensité pour délivrer une petite explosion de chaleur, qui ouvre les canaux ioniques et active les neurones. L'équipe de Chen a été la première à montrer que la sonogénétique pouvait moduler le comportement des souris en mouvement libre.

En 2022, elle et les membres de son laboratoire ont conçu et imprimé en 3D un outil flexible et polyvalent connu sous le nom de métasurface acoustique binaire activée par faisceau Airy qui leur a permis de manipuler des faisceaux d'ultrasons. Elle développe également Sonogenetics 2.0, qui combine les avantages des ultrasons et du génie génétique pour moduler des neurones définis de manière non invasive et précise dans le cerveau des humains et des animaux. AhSonogenetics les rassemble comme méthode potentielle pour intervenir dans les maladies neurodégénératives.

“En permettant une neuromodulation précise et flexible spécifique à un type de cellule sans procédures invasives, AhSonogenetics fournit un outil puissant pour étudier les circuits neuronaux intacts et propose des interventions prometteuses pour les troubles neurologiques”, a déclaré Chen.

La sonogénétique donne aux chercheurs un moyen de contrôler avec précision le cerveau, tandis que la technologie des faisceaux aériens permet aux chercheurs de plier ou de diriger les ondes sonores pour générer des modèles de faisceaux arbitraires à l'intérieur du cerveau avec une résolution spatiale élevée. Yaoheng (Mack) Yang, un associé de recherche postdoctoral qui a obtenu un doctorat en génie biomédical de McKelvey Engineering en 2022, a déclaré que la technologie offre aux chercheurs trois avantages uniques.

“Airy Beam est la technologie qui peut nous donner un ciblage précis d'une région plus petite que la technologie conventionnelle, la flexibilité nécessaire pour nous diriger vers les régions cérébrales ciblées et pour cibler plusieurs régions cérébrales simultanément”, a déclaré Yang.

Chen et son équipe, dont les premiers auteurs Zhongtao Hu, ancien associé de recherche postdoctoral, et Yang, ont conçu chaque métasurface Airy-beam individuellement comme base pour des appareils à ultrasons portables adaptés à différentes applications et à des emplacements précis dans le cerveau.

L'équipe de Chen a testé la technique sur un modèle murin atteint de la maladie de Parkinson. Avec AhSonogenetics, ils ont pu stimuler deux régions cérébrales simultanément chez une seule souris, éliminant ainsi le besoin de plusieurs implants ou interventions. Cette stimulation a atténué les déficits moteurs liés à la maladie de Parkinson chez le modèle murin, notamment les mouvements lents, les difficultés à marcher et les comportements figés.

Le dispositif Airy-beam de l'équipe surmonte certaines des limites de la sonogénétique, notamment en adaptant la conception du dispositif pour cibler des emplacements spécifiques du cerveau, ainsi qu'en incorporant la flexibilité nécessaire pour ajuster les emplacements cibles dans un seul cerveau.

Hu a déclaré que l'appareil, dont la fabrication coûte environ 50 dollars, peut être adapté en taille pour s'adapter à différentes tailles de cerveau, élargissant ainsi ses applications potentielles.

“Cette technologie peut être utilisée comme plate-forme de recherche pour accélérer la recherche en neurosciences grâce à sa capacité à cibler de manière flexible différentes régions du cerveau”, a déclaré Hu. “L'abordabilité et la facilité de fabrication réduisent les obstacles à l'adoption généralisée des dispositifs proposés par la communauté des chercheurs pour les applications de neuromodulation.”