Действие непрерывного и модулированного ультразвука на нейроны рыб

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В настоящее время интенсивно развивается транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) как новый неинвазивный метод нейромодуляции. Удобной моделью демонстрации ультразвуковой нейромодуляции является нервная система рыб, имеющая парные идентифицированные Маутнеровские нейроны, отвечающие за поворотную реакцию рыб. Предметом статьи является сравнение эффектов, вызванных действием непрерывного и модулированного ультразвука на нейроны золотых рыбок. В качестве регистрируемых параметров использованы общая двигательная реакция и поворотная реакция рыб, так как эти реакции отражают функциональное состояние нейронов и его изменение под действием ультразвука с различными энергетическими параметрами при воздействии непрерывного ультразвука, и изменение их функционального состояния при равноэнергетическом воздействии модулированного ультразвука, зависящего от частоты модуляции. Целью работы является исследование действия непрерывного и импульсно модулированного ультразвука на морфофункциональное состояние нейронов головного мозга и идентифицированных центральных нейронов позвоночных – маутнеровских нейронов золотых рыбок. Эксперименты были проведены на золотых рыбках (Goldfish) с регистрацией общей двигательной и поворотной реакций рыб в специальной камере, дно которой было разделено на сектора. Ультразвуковое воздействие проводилось с использованием терапевтического генератора УЗТ 1.01Ф, работающего на частоте 0.88 МГц и фокусирующего излучателя. При действии непрерывных ультразвуковых волн терапевтического диапазона интенсивностей (f = 0.88 МГц) на ткани мозга рыб наблюдается подавление общей двигательной активности и поворотных реакций при увеличении интенсивности ультразвука (более 0.7 Вт/см2) и их активация при интенсивностях менее 0.1 Вт/см2. Используя амплитудную модуляцию низкой частоты, были получены спектры действия, отражающие как работу целого мозга, так и работу идентифицированного Маутнеровского нейрона, ответственного за поворотную реакцию рыб. Спектр действия для Маутнеровского нейрона более выражен и содержит три вида частот: активирующие (8 Гц), частично подавляющие активность рыб (6, 10 Гц) и нейтральные (3, 7, 9 Гц). Из спектра действия видно, что на одних частотах модуляции эффекты несущей частоты ослабляются, а на других усиливаются. Такой подход может найти применение в ультразвуковой терапии, когда необходимо увеличить эффективность ультразвукового воздействия при уменьшении потенциального риска воздействия.

Об авторах

Тимофей Николаевич Пашовкин

Институт биофизики клетки Российской академии наук – обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН

Email: pashovkin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9697-9230
ведущий научный сотрудник;

Диана Габдельфартовна Садикова

Институт биофизики клетки РАН – обособленное предприятие ФИЦ ПНЦБИ РАН

Email: sdg7@list.ru
Научный сотрудник;

Список литературы

  1. Де Денг З., Лисанби С.Х. и Петерчев А.В. Компромисс между глубиной и фокусностью электрического поля при транскраниальной магнитной стимуляции: сравнение моделирования 50 конструкций катушек // Brain Stimul. 2013. № 6. C. 1–13. doi: 10.1016/j.brs.2012.02.005.
  2. Рейнхарт Р.М.Г., Вудман Г.Ф. и Познер М.И. Улучшение долговременной памяти с помощью стимуляции настраивает зрительное внимание в одном испытании // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. № 112. C. 625–630. doi: 10.1073/pnas.1417259112.
  3. Блэкмор Дж., Шривастава С., Саллет Дж., Батлер Ч.Р., Кливленд Р.О. Ультразвуковая нейромодуляция: обзор результатов, механизмов и безопасности // Ultrasound Med. Biol. 2019. № 45. C. 1509–1536.
  4. Харви Э.Н. Влияние звуковых волн высокой частоты на сердечную мышцу и другие раздражимые ткани // Am. J. Physiol. 2019. № 91. C. 284–290.
  5. Фрай Ф.Дж., Адес Х.В., Фрай У.Дж. Выработка обратимых изменений центральной нервной системы с помощью ультразвука // Science. 1958. № 127. C. 83–84.
  6. Даунс М.Е. и др. Неинвазивная стимуляция периферических нервов с помощью фокусированного ультразвука in vivo // Phys. Med. Biol. 2018. № 63. 035011–11.
  7. Муньос Ф., Ауруп К., Конофагу Э.Э., Феррера В.П. Модуляция функции и поведения мозга с помощью фокусированного ультразвука // Curr. Behav. Neurosci. Rep. 2018. № 5. C. 153–164.
  8. Камимура Х.А.С. и др. Фокусированная ультразвуковая нейромодуляция корковых и подкорковых структур головного мозга с использованием частоты 1,9 МГц // Med. Phys. 2016. № 43. C. 5730–5735.
  9. Туфаил Ю. и др. Транскраниальный импульсный ультразвук стимулирует неповрежденные цепи мозга // Neuron. 2010. № 66. C. 681–694.
  10. Фини М., Тайлер У.Дж. Транскраниальный фокусированный ультразвук: новый инструмент неинвазивной нейромодуляции // Int. Rev. Psychiatry. 2017. № 29. C. 168–177.
  11. Наор О., Крупа С., Шохам С. Ультразвуковая нейромодуляция // J. Neural Eng. 2016. № 13. 031003.
  12. Ли В., Ким Х.К., Юнг Ю., Чанг Ю.А., Сонг И.Ю., Ли Дж.Х. и др. Транскраниальная фокусированная ультразвуковая стимуляция первичной зрительной коры человека // Sci. Rep. 2016. № 6. C. 1–12. doi: 10.1038/srep34026.
  13. Ю С., Миттельштейн Д. Р., Хёрт Р. К., Лакруа Дж. и Шапиро М. Г. Сфокусированный ультразвук возбуждает кортикальные нейроны посредством механочувствительного накопления кальция и усиления ионных каналов // Nat. Commun. 2022. № 13. C. 493. doi: 10.1038/s41467-022-28040-1.
  14. Даллапиацца Р.Ф., Тимби К.Ф., Холмберг С., Гейтсман Дж., Лопес М.Б., Прайс Р.Дж. и др. Неинвазивная нейромодуляция и картирование таламуса с помощью низкоинтенсивного сфокусированного ультразвука // J. Neurosurg. 2018. № 128. C. 875–884. doi: 10.3171/2016.11.JNS16976.
  15. О С.Дж., Ли Дж.М., Ким Х.Б., Хан С., Бэ Дж.Ю., Хонг Г.С. и др. Ультразвуковая нейромодуляция через астроцитарный TRPA1 // Curr. Biol. 2019. № 29. C. 3386–3401. doi: 10.1016/j.cub.2019.08.021.
  16. Дуке М., Ли-Кубли К.А., Туфаил Ю., Магарам У., Патель Дж., Чакраборти А. и др. Соногенетический контроль клеток млекопитающих с использованием каналов А1 экзогенного транзиторного рецепторного потенциала // Nat. Commun. 2022. № 13. C. 600. doi: 10.1038/s41467-022-28205-y.
  17. Ню X., Ю К. и Хе Б. Транскраниальный сфокусированный ультразвук вызывает устойчивую синаптическую пластичность в гиппокампе крыс // Brain Stimul. 2022. № 15. C. 352–359. DOI: 0.1016/j.brs.2022.01.015.
  18. Делл’Италия Дж., Сангинетти Дж. Л., Монти М. М., Быстрицкий А., и Редженте Н. Текущее состояние потенциальных механизмов, поддерживающих сфокусированный ультразвук низкой интенсивности для нейромодуляции // Front. Hum. Neurosci. 2022. № 16. C. 1–23. doi: 10.3389/fnhum.2022.872639.
  19. Далецки Д. Механические биоэффекты ультразвука // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2004. № 6. C. 229–248.
  20. О'Брайен-младший В.Д. Ультразвуко-биофизические механизмы // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2007. № 93. C. 212–255.
  21. Чой Дж. Дж., Перно М., Смолл С. А., Конофагу Э. Э. Неинвазивное, транскраниальное и локализованное вскрытие гематоэнцефалического барьера с помощью фокусированного ультразвука у мышей // Ultrasound Med. Biol. 2007. № 33. C. 95–104.
  22. Туфаил Ю., Ёсихиро А., Пати С., Ли М.М., Тайлер У.Дж. Ультразвуковая нейромодуляция путем стимуляции мозга транскраниальным ультразвуком // Nat. Protoc. 2011. № 6. C. 1453–1470.
  23. Кубанек Дж., Шукла П., Дас А., Баккус С.А., Гудман М.Б. Ультразвук вызывает поведенческие реакции посредством механического воздействия на нейроны и ионные каналы в простой нервной системе // J. Neurosci. 2018. № 38. C. 3081–3091.
  24. Кубанек Дж. и др. Ультразвук модулирует токи ионных каналов // Sci. Rep. 2016. № 6. C. 24170.
  25. Прието М.Л., Фирузи К., Хури-Якуб Б.Т., Мадуке М. Активация каналов Piezo1, но не NaV1.2 ультразвуком на частоте 43 МГц // Ultrasound Med. Biol. 2018. № 44. C. 1217–1232.
  26. О С.-Дж. и др. Ультразвуковая нейромодуляция через астроцитарный TRPA1 // Curr. Biol. 2019. № 29. C. 3386–3401. д8.
  27. Тайлер У.Дж. и др. Дистанционное возбуждение нейронных цепей с помощью низкоинтенсивного низкочастотного ультразвука // PLoS One. 2008. № 3. e3511–e11.
  28. Блэкмор Д.Г., Разански Д. и Гетц Дж. Ультразвук как универсальный инструмент для краткосрочного и долгосрочного улучшения и мониторинга функций мозга // PLoS On. 2023. № 3. C.1174–1190. doi: 10.1016/j.neuron.2023.02.018.
  29. Йе Дж. и др. Ультразвуковой контроль активности нейронов посредством активации механочувствительного канала MscL // Nano Lett. 2018. № 18. C. 4148–4155.
  30. Брохон С.Г., Кэмпбелл Э.Б., Маккиннон Р. Физический механизм открытия и механочувствительности человеческого канала TRAAK K+ // Nature. 2014. № 516. C. 126–130.
  31. Мошков Д.А., Подольский И.Я., Кашапова Л.А., Тирас Н.Р., Масюк Л.Н., Музафарова Л.Н., Болотнова Г.П. Количественная характеристика двигательной активности золотых рыбок как возможный индикатор состояния маутнеровских нейронов // Ж. эволюц. биох. и физиол. 1982. № 18(2). C. 155-160.
  32. Тирас Н.Р., Мошков Д.А. Электронно-микроскопическое исследование нарушения тормозной передачи в афферентных связях маутнеровских нейронов // Цитология, 1985. № 27(1). C. 40-45.
  33. Итон Р.К., Лаванда В.А., Виланд К.М. Альтернативные нервные пути инициируют реакции быстрого старта после поражения маутнеровского нейрона у золотых рыбок // J. Comp. Physiol. 1982. № 145 (4). C. 485–496. doi: 10.1007/BF00612814. S2CID 8529312.
  34. Корн Х., Фабер Д.С. Клетка Маутнера полвека спустя: нейробиологическая модель принятия решений? // Neuron. 2005. № 47 (1). C. 13-28. doi: 10.1016/j.neuron.2005.05.019.
  35. Итон Р.К., Бомбардьери Р.А., Мейер Д.Л. Реакция испуга у костистых рыб, инициированная Маутнером // The Journal of Experimental Biology. 1977. № 66(1). C. 65–81. doi: 10.1242/jeb.66.1.65.
  36. Зоттоли С.Дж., Фабер Д.С. Клетка Маутнера: чему она нас научила? // Neuroscientist. 2000. № 6. C. 26–38. doi: 10.1177/107385840000600111

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).