CN108593766A - 一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法 - Google Patents

一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108593766A
CN108593766A CN201810399780.XA CN201810399780A CN108593766A CN 108593766 A CN108593766 A CN 108593766A CN 201810399780 A CN201810399780 A CN 201810399780A CN 108593766 A CN108593766 A CN 108593766A
Authority
CN
China
Prior art keywords
low
frequency pulse
neuron
culture dish
ultrasound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810399780.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN108593766B (zh
Inventor
林森
叶剑
周家兴
刘蕴佳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Third Affiliated Hospital of PLA Army Medical University
Original Assignee
Third Affiliated Hospital of PLA Army Medical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Third Affiliated Hospital of PLA Army Medical University filed Critical Third Affiliated Hospital of PLA Army Medical University
Priority to CN201810399780.XA priority Critical patent/CN108593766B/zh
Publication of CN108593766A publication Critical patent/CN108593766A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108593766B publication Critical patent/CN108593766B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/022—Liquids

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

本发明公开一种低频脉冲超声(Low intensity pulsed ultrasound)激活神经元的成像装置及操作方法，该装置包括低频脉冲超声激发器、载物台和显微镜；所述低频脉冲超声激发器布置在所述载物台的上方，所述显微镜布置在载物台下方；所述载物台，用于放置装有神经元的培养皿；低频脉冲超声激发器，用于向培养皿内的神经元发射低频脉冲超声波，对神经元进行机械刺激产生激活或者抑制的生物学效应；显微镜，用于向培养皿内的神经元发射激发光，并通过折射回来的散射光对养皿内的神经元进行观察。本发明保证了神经元的完整性和存活率，可更好的对神经元进行研究。

Description

一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法
技术领域
本发明涉及医学工程技术领域，具体涉及一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法。
背景技术
人体视路神经系统是视觉传导的通路。从视神经开始，经视交叉、视束、外侧膝状体、视放射至皮质视中枢。视网膜上的神经细胞在受到光刺激后，产生神经冲动，通过神经系统传至大脑中的视觉中枢。而视神经损伤或持续性高眼压会导致视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells)的大量死亡。目前，通常采用“光遗传学”、深部脑刺激和非损伤性的“磁遗传学”，光遗传学和深部脑刺激需要在大脑里植入光纤或者金属电极，会对患者造成直接损伤，也是限制后期临床应用的一大障碍；非损伤性的“磁遗传学”通过外部磁场刺激，激活大脑特定的区域，但是非损伤性的“磁遗传学”由于充满变数而受到了相关研究人士的质疑和探讨。因此，亟待提出一种激活神经元的无损伤成像装置，以便保证神经元的完整性和存活率，从而更好的对神经元进行研究。而低频脉冲超声影像学已应用于临床几十年，其安全性和影像技术指标已得到医学界的公认。最近研究发现，低频脉冲超声不仅具有影像功能，且能够在特定场强和时间窗内可以激活靶组织和靶细胞，从而保护损伤组织或者促进组织再生。然而，其进一步的神经系统功效未得到阐释，主要是由于研究者尚未界定低频能量与时间窗在靶组织和靶细胞的作用阈值。我们在前期研究中，主要针对视网膜和视神经进行能量和时间窗的探索性研究，发现了特定的保护性阈值，并能够开启靶组织和靶细胞相应的激活信号通路，从而未低频脉冲超声进一步的组织和细胞保护、再生研究提供借鉴和参考。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法，保证了神经元的完整性和存活率，可更好的神经元进行研究。
本发明提供了一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置，包括低频脉冲超声激发器、载物台和显微镜；所述低频脉冲超声激发器布置在所述载物台的上方，所述显微镜布置在载物台下方；所述载物台，用于放置装有神经元的培养皿；低频脉冲超声激发器，用于向培养皿内的神经元发射低频脉冲超声波，对神经元进行机械刺激产生激活或者抑制的生物学效应；显微镜，用于向培养皿内的神经元发射激发光，并通过散射回来的散射光对养皿内的神经元进行观察。
优选地，所述低频脉冲超声激发器的输出能量范围为1kHz6.9-7.4J，低频脉冲超声激发器的处理时间为110s-130s。
优选地，所述低频脉冲超声激发器的输出能量范围为1kHz2.8-3.1J，低频脉冲超声激发器的处理时间为50s-70s。
优选地，所述低频脉冲超声激发器的功率密度不大于450mW/cm2。
本发明还提供了一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置的操作方法，使用如上所述的低频脉冲超声激活神经元的成像装置，包括如下步骤：
S1：将装有待检测神经元的培养皿放在载物台上；
S2：调节低频脉冲超声激发器，使低频脉冲超声激发器的发射超声波端浸入培养皿中的培养液中，且低频脉冲超声激发器发出的超声声场与培养皿中待测神经元细胞的距离为4mm-9mm；
S3：通过显微镜观察培养皿中神经元的特性。
本发明的有益效果：
本发明摒弃了采用“光遗传学”、深部脑刺激和非损伤性的“磁遗传学”对神经元进行激活，而是通过低频脉冲超声激发器对培养皿中的神经元发出低频的超声波，从而达到无损伤激活培养皿中的神经元，保证了神经元的完整性和存活率，可更好的对视网膜神经元及其他类型神经元进行研究。
附图说明
图1为本实施例的结构示意图；
图2为超声能量和细胞存活的曲线图以及小鼠耐受低频脉冲超声能力的柱状图；
图3为视神经损伤后视网膜退变的厚度曲线图；
图4为启动细胞核转录图；
图5为低频脉冲超声对YAP分子的激活作用图。
附图标记：1-低频脉冲超声激发器，2-载物台，3-显微镜，4-培养皿
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明公开了一种低频脉冲超声(Low intensity pulsedultrasound)激活神经元的成像装置，包括低频脉冲超声激发器1、载物台2和显微镜3；低频脉冲超声激发器1布置在载物台2的上方，显微镜3布置在载物台2下方；载物台2，用于放置装有神经元的培养皿4；低频脉冲超声激发器1，用于向培养皿4内的神经元发射低频脉冲超声波，对神经元进行机械刺激产生激活或者抑制的生物学效应；显微镜3，用于向培养皿4内的神经元发射激发光，并通过折射回来的散射光对养皿内的神经元进行观察。本发明摒弃了采用“光遗传学”、深部脑刺激和非损伤性的“磁遗传学”对神经元进行激活，而是通过将低频脉冲超声激发器1的发射超声波端浸入培养皿4中的培养液中，且低频脉冲超声激发器1发出的超声声场与培养皿4中待测神经元细胞的距离的4mm-9mm，然后通过低频脉冲超声激发器1对培养皿4中的神经元发出低频的超声波，从而达到无损伤激活培养皿中的神经元，保证了神经元的完整性和存活率，可更好的对视网膜神经元及其他类型神经元进行研究。
本实施例中，如图2所示，低频脉冲超声激发器1的输出能量范围为1kHz6.9-7.4J，低频脉冲超声激发器1的处理时间为110s-130s。试验证明，针对皮层神经元而言，低频脉冲超声激发器1的输出能量及处理时间范围在1kHz6.9-7.4J且110s-130s内，具体的处理时间为120s，对皮层神经元神经元细胞会有显著的促存活作用，且对皮层神经元神经元细胞具备无贯穿损伤。
本实施例中，如图2所示，低频脉冲超声激发器1的输出能量范围为1kHz2.8-3.1J，低频脉冲超声激发器1的处理时间为50s-70s。试验证明，针对视网膜神经元而言，低频脉冲超声激发器1的输出能量及处理时间范围在1kHz2.8-3.1J且50s-70s内，具体的处理时间为60s，对视网膜神经元细胞会有显著的促存活作用，且对皮层神经元神经元细胞具备无贯穿损伤。
本实施例中，如图2所示，低频脉冲超声激发器1的功率密度不大于450mW/cm2。对于实验小鼠来说，50-150-450mW/cm2低频脉冲超声刺激将激活小鼠视网膜及皮层神经元，但在450W/cm2能量范围将增加小鼠剪切caspase-3活性变化，表明小鼠耐受低频脉冲超声能力限制为450W/cm2以下，10-20分钟经皮刺激。
如图3所示，低频脉冲超声在1kHz2.8-3.1J且60s的范围内可提高视网膜在视网膜神经元损伤退变后的厚度，可提高视网膜神经元存活率，而无需外界损伤性或外源性导入类(如病毒)等方法的辅助刺激，表明低频脉冲超声具有保护损伤后视网膜完整及视网膜神经元存活的特性。
低频脉冲超声可在以上范能量时间围内可以激活视网膜RGC和体外培养RGC的YAP分子核转移和过表达，从而增强RGC细胞损伤后的存活能力。
本发明还公开了一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置的操作方法，使用如上所述的低频脉冲超声激活神经元的成像装置，包括如下步骤：
S1：将装有待检测神经元的培养皿放在载物台上；
S2：调节低频脉冲超声激发器，使低频脉冲超声激发器的发射超声波端浸入培养皿中的培养液中，且低频脉冲超声激发器发出的超声声场与培养皿中待测神经元细胞的距离为4mm-9mm；
S3：通过显微镜观察培养皿中神经元的特性。
综上，定位视网膜中被LIPUS特异性激活的视网膜神经元机械敏感通道，拟揭示其表达规律、LIPUS激活特异性及生理学效应。在筛选阳性机械敏感通道基础上，应用分子生物学方法克隆通道分子并外源表达，应用LIPUS验证通道分子的声学激活特异性及生理学活性，并研究其下游分子机制。应用小鼠视神经损伤动物模型，研究损伤条件下LIPUS激活特异机械敏感通道对视网膜神经元轴突再生的影响，将有助于揭示视网膜神经元的Ca离子活动变化，电信号活动变化，研究机械敏感受体对再生效应的分子机制，从细胞和分子层面定性定量研究LIPUS对视网膜神经元的通道激活或抑制作用。
图4为启动细胞核转录图，主要是通过低频脉冲超声特定时间能量窗诱导视网膜RGC的YAP分子入核，从而启动细胞核转录；图5为低频脉冲超声对YAP分子的激活作用图，主要是通过低频脉冲超声特定时间能量窗激活体外RGC的YAP分子上调表达，从而进一步验证低频脉冲超声对YAP分子的激活作用。视网膜神经元及其他类型神经元的激活过程如图4和图5所示，1M的低频脉冲超声在以上能量和时间范围内，能够以特定能量激活神经元细胞膜的Piezo1机械敏感通道瞬时开放3-6秒。该通道的激活可诱发胞内钙离子内流及神经元兴奋性发生，通过5-10分钟超声刺激客介导YAP核转录持续。Piezo1为多次跨膜受体，介导钙离子内流及Calpain激活从而重塑细胞骨架，使细胞适应周边所在微环境，对应力产生生物学反馈效应。Piezo1可通过激活胞内共转录因子YAP入核并持续12-24小时，从而介导神经元对低频超声的敏感性增加，保证了神经元的完整性和存活率，可更好的神经元进行研究。
最后应说明的是：以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置，其特征在于：包括低频脉冲超声激发器、载物台和显微镜；
所述低频脉冲超声激发器布置在所述载物台的上方，所述显微镜布置在载物台下方；
所述载物台，用于放置装有神经元的培养皿；低频脉冲超声激发器，用于向培养皿内的神经元发射低频脉冲超声波，对神经元进行机械刺激产生激活或者抑制的生物学效应；显微镜，用于向培养皿内的神经元发射激发光，并通过散射回来的散射光对养皿内的神经元进行观察。
2.根据权利要求1所述的低频脉冲超声激活神经元的成像装置，其特征在于：所述低频脉冲超声激发器的输出能量范围为1kHz6.9-7.4J，低频脉冲超声激发器的处理时间为110s-130s。
3.根据权利要求3所述的低频脉冲超声激活神经元的成像装置，其特征在于：所述低频脉冲超声激发器的输出能量范围为1kHz2.8-3.1J，低频脉冲超声激发器的处理时间为50s-70s。
4.根据权利要求1所述的低频脉冲超声激活神经元的成像装置，其特征在于：所述低频脉冲超声激发器的功率密度不大于450mW/cm2。
5.一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置的操作方法，使用权利要求1至4任一项所述的低频脉冲超声激活神经元的成像装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将装有待检测神经元的培养皿放在载物台上；
S2：调节低频脉冲超声激发器，使低频脉冲超声激发器的发射超声波端浸入培养皿中的培养液中，且低频脉冲超声激发器发出的超声声场与培养皿中待测神经元细胞的距离为4mm-9mm；
S3：通过显微镜观察培养皿中神经元的特性。
CN201810399780.XA 2018-04-28 2018-04-28 一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法 Expired - Fee Related CN108593766B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810399780.XA CN108593766B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810399780.XA CN108593766B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108593766A true CN108593766A (zh) 2018-09-28
CN108593766B CN108593766B (zh) 2020-12-25

Family

ID=63619261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810399780.XA Expired - Fee Related CN108593766B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108593766B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110411991A (zh) * 2019-05-22 2019-11-05 郑州大学 一种对活细胞中Piezo1蛋白的超声敏感性的鉴定系统及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102149428A (zh) * 2008-07-14 2011-08-10 代理并代表亚利桑那州立大学的亚利桑那董事会 使用超声用于调节细胞活性的方法和装置
CN104548390A (zh) * 2014-12-26 2015-04-29 中国科学院深圳先进技术研究院 一种超声深部脑刺激方法及系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102149428A (zh) * 2008-07-14 2011-08-10 代理并代表亚利桑那州立大学的亚利桑那董事会 使用超声用于调节细胞活性的方法和装置
CN104548390A (zh) * 2014-12-26 2015-04-29 中国科学院深圳先进技术研究院 一种超声深部脑刺激方法及系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110411991A (zh) * 2019-05-22 2019-11-05 郑州大学 一种对活细胞中Piezo1蛋白的超声敏感性的鉴定系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108593766B (zh) 2020-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Menz et al. Radiation force as a physical mechanism for ultrasonic neurostimulation of the ex vivo retina
Wu et al. Sono-optogenetics facilitated by a circulation-delivered rechargeable light source for minimally invasive optogenetics
Fomenko et al. Low-intensity ultrasound neuromodulation: an overview of mechanisms and emerging human applications
Naor et al. Ultrasonic neuromodulation
Tufail et al. Transcranial pulsed ultrasound stimulates intact brain circuits
CN105126262B (zh) 使用超声用于调节细胞活性的方法和装置
Fay Comparative hearing: fish and amphibians
CN104548390B (zh) 一种获得用于发射穿颅聚焦超声的超声发射序列的方法及系统
Yang et al. Nanotechnology enables novel modalities for neuromodulation
Wahab et al. Mechanical bioeffects of pulsed high intensity focused ultrasound on a simple neural model
Shim et al. Retinal prosthetic approaches to enhance visual perception for blind patients
Li et al. PIEZO2 mediates ultrasonic hearing via cochlear outer hair cells in mice
Wu et al. Nanotransducer-enabled deep-brain neuromodulation with NIR-II light
Zhou et al. Ultrasound activation of mechanosensory ion channels in Caenorhabditis elegans
Huang et al. Transcranial low-intensity pulsed ultrasound stimulation induces neuronal autophagy
Vasu et al. The role of sodium channels in direct current stimulation—axonal perspective
Lo et al. Ultrasonic retinal neuromodulation and acoustic retinal prosthesis
CN108593766A (zh) 一种低频脉冲超声激活神经元的成像装置及操作方法
Grunskiy et al. Features of the application of electromagnetic bioresonant therapy of inflammatory infectious diseases
Yu et al. Intrinsic cell-type selectivity and inter-neuronal connectivity alteration by transcranial focused ultrasound
Gong et al. Non-invasive hybrid ultrasound stimulation of visual cortex in vivo
Narins et al. Ultrasound detection in fishes and frogs: discovery and mechanisms
Cadoni et al. Sonogenetic stimulation of the brain at a spatiotemporal resolution suitable for vision restoration
Gavrilov Focused ultrasound stimulation of the peripheral nervous system: Physical basis and practical applications
Cho et al. Physiological response of mouse retinal ganglion cells to electrical stimulation: effect of soma size

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20201225

Termination date: 20210428

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee