内源性超声敏感性对体内声遗传学调控的影响：从神经环路特异性到行为精准输出

《iScience》：Impact of endogenous sonosensation on in vivo sonogenetics

本研究针对声遗传学应用中脑区固有超声敏感性差异的挑战，通过绘制内源性超声响应图谱，发现体感皮层具有高敏感性。研究人员利用MscL-G22S声遗传学工具，在体感皮层实现兴奋性神经元特异性激活并抑制抑制性神经元，成功驱动胡须运动，证实优化声遗传学策略可克服内源性背景干扰，为精准神经调控提供新范式。

　　

神经调控技术是干预神经系统功能、治疗脑疾病及解析脑功能的关键手段。传统的光遗传学和化学遗传学虽能精准操控神经元活动，但其侵入性、有限的空间分辨率或时间分辨率制约了应用。声遗传学作为一种非侵入性新技术，通过超声波激活基因工程改造的声敏感蛋白，兼具深部穿透能力和细胞类型特异性，近年来在帕金森病模型行为改善、视觉恢复等研究中展现出潜力。然而，大脑不同区域对超声的固有敏感性存在差异，这种内源性声敏感背景可能干扰声遗传学的精准实施，但目前缺乏系统性评估。

为解决这一问题，香港理工大学孙 Lei 团队在《iScience》发表研究，通过多尺度实验揭示了脑区内源性声敏感性的分布规律，并在此基础上验证了MscL-G22S声遗传学工具在高敏感性脑区实现行为调控的可行性。研究采用的关键技术包括：通过c-Fos免疫染色和离体脑片钙成像（GCaMP6s）绘制脑区声敏感性图谱；利用qPCR筛选机械敏感性离子通道（如TRP家族、PIEZO1）的表达谱；通过立体定位注射AAV病毒（CamKIIα启动子）在体感皮层特异性表达MscL-G22S或对照载体；结合纤维光度术（Fiber Photometry）记录神经元钙活动（jRGECO1a/GCaMP6f）；采用高速摄像与Whisker Tracking软件量化胡须运动角度；使用平滑波形超声和耳聋模型排除听觉干扰；并通过药理学阻断剂（如Ruthenium Red、ML204）和PIEZO1基因敲除小鼠解析通道功能。

体感皮层相比其他中脑区域表现出更强的内源性超声响应

通过c-Fos标记发现，超声刺激后体感皮层、海马和丘脑的神经元活动显著增强，其中体感皮层响应最强烈（c-Fos⁺细胞增加2倍以上）。离体钙成像进一步证实，体感皮层神经元的钙信号峰值（ΔF/F₀ = 63.12%±3.31%）显著高于视觉皮层（26.41%±1.43%），表明其具有更高的内源性声敏感性。

内源性机械敏感性离子通道参与区域超声响应

qPCR显示体感皮层高表达TRPC、TRPM等机械敏感性通道。离体实验中，广谱阻断剂Gd³⁺及特异性抑制剂（如TRPC4/5阻断剂ML204）均显著降低超声诱导的钙响应，PIEZO1基因敲除也削弱响应幅度，提示多种通道协同介导声敏感效应。

MscL-G22S介导的声遗传学在体感皮层诱发增强的超声响应

在体感皮层兴奋性神经元中表达MscL-G22S后，0.15 MPa超声即可诱发胡须运动（角速度91.79°），对照组仅14.24°。纤维光度记录显示，MscL组神经元钙响应显著增强（0.15 MPa时ΔF/F₀：MscL组0.61%±0.08% vs. 对照组0.37%±0.06%），且基线兴奋性未改变。通过平滑波形超声和耳聋模型排除了听觉 confounding因素，并证实星形胶质细胞（GFAP-GCaMP6f标记）在超声参数下未参与响应。

超声刺激在MscL条件下显著抑制体感皮层抑制性神经元的钙活动

在对照组中，超声同时激活兴奋性和抑制性神经元（GABA能神经元钙信号峰值ΔF/F₀：0.15 MPa时1.01%±0.21%），而MscL组抑制性神经元活动被抑制（0.27%±0.05%）。这表明MscL表达通过提升兴奋性神经元响应，改变兴奋/抑制（E/I）平衡，从而驱动行为输出。

研究结论强调，脑区内源性声敏感性差异由机械敏感性通道表达异质性决定，声遗传学工具可通过优化E/I平衡实现精准调控。该研究为声遗传学在神经环路研究及脑疾病治疗中的应用提供了重要实验依据，未来需进一步开发高特异性声敏感蛋白并优化超声参数以降低脱靶效应。