Neurostimulation by Ultrasound: Physical Biophysical and Neural Mechanisms
超声神经刺激:物理生物物理和神经机制
基本信息
- 批准号:10709771
- 负责人:
- 金额:$ 95.8万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-05-15 至 2025-04-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
PROJECT SUMMARY
The goal of this project is to understand the neurobiological underpinnings of the effects of ultrasound
(US) on neural activity. US can modify action potential activity in neurons in vitro and in vivo without damaging
neural tissue. This phenomenon can be applied in powerful new tools for basic and clinical neuroscience, with
broad impact on public health issues related to mental and neurological disorders. To guide use of this new
tool, our research will provide insight into the physical, biophysical and neural mechanisms underlying US
neuromodulation.
Our approach is unique in applying and integrating mechanistic studies of US neuromodulation at levels
of complexity ranging from the single cell to the whole animal. We aim to understand the relationship between
US 1) the physical processes that transform acoustic energy to effects on biological systems and the resulting
measurable physical variables (Aim 1), 2) the biophysical transduction processes together with the resulting
measurable biophysical effects (Aim 2) 3) the subsequent neural integration processes that lead to the final
output of the neural system or behavior (Aim 3). We will address these questions in experiments across three
model systems (the in vivo mouse model, in vitro salamander and mouse retina, and single hippocampal
pyramidal cells in acute and cultured brain slices), focusing on hypotheses guided by our results thus far.
US neuromodulation is likely to have significant impact on public health. Brain stimulation therapies are
used to treat Parkinson's disease, dystonia, and epilepsy and hold promise for many others. Compared to
current brain stimulation techniques that rely on invasive implanted electrodes or have limited spatial resolution
and depth penetration (e.g., transcranial magnetic stimulation), US offers an ideal combination of spatial
resolution, depth penetration, and non-invasiveness. US neuromodulation can also be implemented in
prosthetic devices; for example, to stimulate retinal circuitry to restore vision. In addition, US neuromodulation
promises to become an enormously useful research tool in basic neuroscience, and it is therefore relevant to
all mental and neurological disorders of public health concern. However, all these outcomes depend on the
ability to apply US neuromodulation with well-controlled, predictable results. Achieving this goal requires a
detailed mechanistic understanding of US neuromodulation that our multidisciplinary research project will
provide.
项目概要
该项目的目标是了解超声波影响的神经生物学基础
(美国)关于神经活动。 US 可以在体外和体内修改神经元的动作电位活动而不损伤
神经组织。这种现象可以应用于基础和临床神经科学的强大新工具,
对与精神和神经系统疾病相关的公共卫生问题产生广泛影响。为了指导使用这个新的
工具,我们的研究将深入了解美国的物理、生物物理和神经机制
神经调节。
我们的方法在应用和整合美国神经调节水平的机制研究方面是独一无二的
其复杂性范围从单细胞到整个动物。我们的目的是了解之间的关系
US 1) 将声能转化为对生物系统的影响的物理过程以及由此产生的结果
可测量的物理变量(目标 1)、2)生物物理转导过程及其结果
可测量的生物物理效应(目标 2)3) 导致最终结果的后续神经整合过程
神经系统或行为的输出(目标 3)。我们将在三个实验中解决这些问题
模型系统(体内小鼠模型、体外蝾螈和小鼠视网膜、单个海马
急性和培养脑切片中的锥体细胞),重点关注以我们迄今为止的结果为指导的假设。
美国的神经调节可能会对公共健康产生重大影响。脑刺激疗法是
用于治疗帕金森病、肌张力障碍和癫痫,并为许多其他疾病带来希望。相比
当前的脑刺激技术依赖侵入性植入电极或空间分辨率有限
和深度穿透(例如,经颅磁刺激),US 提供了空间的理想组合
分辨率、深度穿透性和非侵入性。美国神经调节也可以应用于
假肢装置;例如,刺激视网膜电路以恢复视力。此外,美国神经调节
有望成为基础神经科学中非常有用的研究工具,因此与
所有与公共卫生有关的精神和神经系统疾病。然而,所有这些结果都取决于
能够应用美国神经调节并获得良好控制的、可预测的结果。实现这一目标需要
我们的多学科研究项目将详细了解美国神经调节的机制
提供。
项目成果
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