High-Precision Photoacoustic Neural Modulation Uses a Non-Thermal Mechanism
Chen, G., Yu, F., Shi, L., Marar, C., Du, Z., Jia, D., Cheng, J.-X., & Yang, C. (2024). Advanced Science.
光音響（PA）神経刺激技術は、高精度で非遺伝的かつ安全な神経刺激技術として近年急速に研究が進められている。PA技術は、短パルス光の吸収による局所的かつ一時的な加熱が引き起こす熱膨張により、超音波周波数で機械的波を生成することで動作する 。従来の光音響材料のエネルギー変換効率は3％未満であるが、この技術は高精度の神経刺激が可能であり、従来の遺伝子改変技術に比べて安全であることが評価されている 。また、光音響技術は、機械的刺激を利用するため、他の非侵襲的神経刺激方法と比較して高い空間分解能を持つことが利点である 。さらに、PA刺激においては、従来の光熱（PT）刺激と比較して40分の1のレーザーエネルギーで同程度の神経活性化が可能であることが示されている 。
しかし、PA刺激のメカニズムは依然として解明されていない点が多い。物理的には、光音響プロセスではパルス光の吸収による局所的な温度上昇が不可避であり、これが神経活性化にどの程度影響するかが不明である 。また、光音響材料のエネルギー変換効率が低いことから、効率的な神経調節のためのメカニズムを明確にすることが求められている 。さらに、神経刺激に関与する具体的な分子機構、特にどのイオンチャネルが主要な役割を果たしているかについての詳細な理解が不足している 。
そこで、本研究では、光音響（PA）と光熱（PT）刺激を単一ニューロンレベルで比較するためのユニバーサルなファイバーデバイスを開発した。このファイバーデバイスは、対応するレーザー条件によってPAまたはPTエミッタとして機能する 。PA刺激の分子機構を解明するために、特定のイオンチャネルの過剰発現および薬理学的ブロッキングを通じてメカノセンシティブイオンチャネル（TRPC1、TRPP2、TRPM4）がPA刺激効果を高める重要な役割を果たすことを示した 。また、パッチクランプ記録による単一ニューロンの電気生理学的研究では、PA刺激によって引き起こされる電気生理学的特性がPT刺激とは異なることを確認し、PAとPT刺激が異なるメカニズムで動作することを証明した 。
使用されたCobolt社のレーザー
（このレーザーはPT刺激に使用された 。これにより、PA刺激が非熱機構であることを確認し、メカノセンシティブイオンチャネルの活性化が神経活性化に重要な役割を果たすことを明らかにした 。）