Para ilmuwan menggunakan ultrasound untuk mengontrol sel-sel otak pada hewan

Para peneliti dari Institut Salk San Diego meminta tikus untuk menggerakkan anggota tubuhnya dengan merangsang sel-sel otak menggunakan ultrasound.

Ketika tikus direkayasa agar sel-sel otak mereka menghasilkan protein khusus, para peneliti menemukan bahwa memukul mereka dengan ultrasound “menghidupkan” sel, menyebabkan gerakan kecil, tetapi jelas, di anggota badan mereka.

Teknik, yang disebut “sonogenetics,” adalah yang terbaru dari serangkaian metode yang terlihat untuk merangsang dan mengubah neuron secara langsung, tanpa menggunakan obat-obatan.

“Kami telah menghabiskan begitu banyak waktu selama beberapa dekade terakhir dengan fokus pada terapi farmakologis,” Colleen Hanlon, seorang ahli biologi di Wake Forest yang tidak terlibat dalam penelitian ini, mengatakan kepada STAT . “Makalah ini adalah bagian lain yang sangat penting dari teka-teki pengembangan terapi berbasis sirkuit saraf untuk penyakit ini.”

Menggunakan ultrasound untuk merangsang sel-sel otak dikenal sebagai “sonogenetika.”

Menghidupkan neuron: Sonogenetika hanyalah salah satu cara para peneliti mulai mengendalikan neuron di otak, mematikan atau menghidupkannya sesuka hati.

Mungkin metode yang paling terkenal adalah menggunakan stimulasi listrik. Dalam stimulasi otak dalam , para peneliti dengan pembedahan menanamkan elektroda ke area tertentu di otak. 

Ketika elektroda ini menyala pada waktu yang tepat dan dengan frekuensi yang tepat, mereka dapat menghilangkan getaran , meningkatkan daya ingat , dan bahkan mengobati depresi.

Mengambil langkah pada skala keliaran, para ilmuwan juga dapat mengaktifkan, atau mematikan, neuron menggunakan cahaya, teknik yang disebut optogenetika . Optogenetika bekerja dengan merekayasa genetika sel-sel otak untuk menghasilkan protein peka cahaya, yang dapat dipukul dengan laser, menyebabkan neuron menyala atau tidak.

Mekanisme serupa ada di balik sonogenetika, kecuali protein bereaksi terhadap ultrasound.

Tikus-tikus itu direkayasa agar sel-sel otak mereka menghasilkan protein khusus yang bereaksi terhadap ultrasound.

Ultrasound menarik karena profil keamanannya yang dipahami dengan baik dan fakta bahwa ia telah digunakan untuk menargetkan lokasi jauh di dalam tubuh. 

“Ultrasound aman, non-invasif, dan dapat dengan mudah difokuskan melalui tulang dan jaringan tipis hingga volume beberapa milimeter kubik,” tulis para peneliti dalam studi mereka, yang diterbitkan di Nature Communications .

Sebaliknya, dalam optogenetika, karena kulit dan tulang tidak tembus pandang, bahkan cahaya yang kuat pun akan sulit mencapai neuron yang lebih dalam daripada lapisan luar otak.

Dari cacing ke tikus: Ilmuwan saraf Salk Sreekanth Chalasani dan rekan-rekannya memelopori sonogenetika beberapa tahun lalu pada cacing kecil yang disebut nematoda.

Pada cacing, mereka menggunakan protein yang bereaksi dengan ultrasound yang disebut TRP-4. Tapi ketika mereka memasukkannya ke dalam sel mamalia, yah … nada. Dan dengan demikian dimulailah pencarian enam tahun untuk menemukan protein ultrasound-reaktif yang bekerja pada mamalia.

Mereka menemukannya – protein yang disebut TRPA1.

Para peneliti pertama kali menguji protein pada neuron tikus di laboratorium. Ketika sel-sel itu bereaksi terhadap ultrasound dengan menghasilkan sinyal listrik, mereka merekayasanya menjadi tikus hidup.

Ketika tikus yang memproduksi TRPA1 terkena ultrasound, sinyal listrik mengalir melalui anggota badan mereka – dan juga sedikit gerakan. 

Ketika tikus-tikus itu terpapar ultrasound, sinyal-sinyal listrik mengalir melalui anggota tubuh mereka – dan juga sedikit gerakan. 

“Ini adalah kontribusi yang sangat menarik dan langkah penting,” kata peneliti sonogenetika Caltech Mikhail Shapiro, yang tidak terlibat dengan pekerjaan itu, kepada STAT.  

“Ini adalah salah satu makalah yang keluar selama beberapa tahun terakhir yang menunjukkan bahwa ada kemungkinan nyata bahwa Anda dapat menggunakan ultrasound untuk secara langsung memodulasi aktivitas neuron tertentu.”

Selanjutnya: Meskipun mampu mengaktifkan sel cukup keren, mampu mematikannya juga penting, kata Chalasani kepada STAT, dan dia mungkin telah menemukan protein dengan potensi untuk melakukan hal itu — dalam perangkap lalat venus, dari segala hal.

Chalasani dan rekan sekarang bekerja untuk membuat respons ultrasound lebih kuat, dan penyesuaian lainnya perlu terus dilakukan juga di jalan panjang menuju aplikasi klinis. Misalnya, untuk memasukkan kode genetik protein sensitif ultrasound ke dalam sel tikus, tim menyuntikkan virus pembawa kode ke otak mereka. Jenis ini meniadakan salah satu keuntungan potensial paling menarik dari sonogenetika: bahwa itu non-invasif.

Saat masih awal, penelitian ini mungkin memiliki aplikasi untuk sejumlah perawatan dan terapi yang melibatkan stimulasi sel saraf dengan sonogenetika.

“Potensi kontrol saraf sangat besar,” kata Chalasani kepada The Scientist. “Ini memiliki aplikasi untuk alat pacu jantung, pompa insulin, dan terapi lain yang bahkan tidak kami pikirkan.”