A bidirectional deep brain interface to unravel the pathogenic role of vascular amyloid in Alzheimer's disease

双向深部脑接口揭示血管淀粉样蛋白在阿尔茨海默病中的致病作用

基本信息

  • 批准号:
    10901002
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 79.53万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-15 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Alzheimer’s disease (AD) is the leading cause of dementia, affecting 6.2 million people in the United States and 44 million worldwide. These numbers are expected to quadruple by 2050, if no cure is found by then. AD features progressive neurodegeneration beginning in the hippocampus, leading to early loss of declarative hippocampal- dependent memory. The deposition of misfolded amyloid, a key pathological hallmark of AD preceding the onset of dementia by decades, is believed to be an initiating factor of the progressive neurodegeneration and memory loss. However, the underlying mechanisms remain unclear. Early in AD, amyloid deposition is accompanied by reduction of cerebral blood flow. Also, amyloid deposits are conspicuously found on the brain microvasculature, which results in impaired vasoactivity in response to stimulation. The collective evidence leads us to hypothesize that vascular amyloid impairs microvessel’s ability to regulate local blood oxygen delivery to meet the metabolic need of neurons in the hippocampus, causing early memory loss in AD. Further, we hypothesize that the amyloid- mediated, neurovascular pathology-driven memory decline in the hippocampus is reversible with improved blood oxygen delivery. Testing the hypotheses may offer new insights into AD pathogenesis, but it requires longitudinal microscopic assessments of neurovascular function in the hippocampus of AD mice with known memory status, which is largely beyond the reach of conventional benchtop microscopy techniques. To address this challenge, we propose to develop a bidirectional (imaging and manipulation) fiber interface for longitudinal and minimally invasive assessments of deep brain regions in rodents. Combining photoacoustic and fluorescence microscopy, this device (diameter: 230–420 µm) will enable concurrent imaging of amyloid deposition, microvascular function (blood oxygenation and flow), and neuronal activity in the hippocampus of AD mice. Moreover, building upon our recent progress in fiber-based deep brain stimulation and chemical delivery, this interface will also enable focal electrical stimulation to assess neurovascular coupling and local delivery of PGE2, a vasodilator, to examine the function of vascular smooth muscles and whether hippocampal blood oxygen supply is retrievable to counteract the amyloid-mediated focal hypoxia/ischemia and improve memory loss. In summary, the proposed study seeks to establish the direct and causal relationship between amyloid-mediated neurovascular dysfunction and memory loss in the hippocampus, where AD originates, through the development and application of a bidirectional deep brain interface. More broadly, altered neural-vascular interaction and misfolded protein aggregation have been associated with a wide range of brain diseases, including but not limited to AD. Enabling microscopic assessment and focal manipulation of neuronal activity, blood oxygen delivery, and pathological molecular processes in the rodent brain irrespective of depth, the bidirectional deep brain interface is expected to find broad applications in basic and translational brain research.
项目概要 阿尔茨海默病 (AD) 是导致痴呆症的主要原因,影响着美国 620 万人, 如果到 2050 年还没有找到治疗 AD 的方法,预计这一数字将增加四倍。 从海马体开始进行性神经变性,导致声明性海马体早期丧失 错误折叠的淀粉样蛋白的沉积是 AD 发病前的一个关键病理标志。 痴呆症发病数十年,被认为是进行性神经退行性变和记忆的起始因素 然而,AD 早期,淀粉样蛋白沉积伴随着其潜在机制尚不清楚。 此外,大脑微血管上明显发现淀粉样沉积物, 这导致对刺激的反应受损的血管活性。 血管淀粉样蛋白损害微血管调节局部血氧输送以满足代谢的能力 海马体中神经元的需求,导致 AD 患者早期记忆丧失。此外,我们发现淀粉样蛋白 - 海马体介导的、神经血管病理驱动的记忆力下降是可逆的,并且血液质量改善 测试这些假设可能会为 AD 发病机制提供新的见解,但需要纵向研究。 对已知记忆状态的 AD 小鼠海马神经血管功能进行显微镜评估, 这在很大程度上超出了传统台式显微镜技术的能力范围。 我们建议开发一种双向(成像和操作)光纤接口,用于纵向和最小化 结合光声和荧光显微镜对啮齿类动物深部大脑区域进行侵入性评估。 该设备(直径:230–420 µm)将能够同时对淀粉样蛋白沉积、微血管功能进行成像 (血氧和流量)以及 AD 小鼠海马体的神经活动。 最近在基于纤维的深部脑刺激和化学输送方面取得了进展,该接口也将使焦点 电刺激以评估神经血管耦合和 PGE2(一种血管扩张剂)的局部递送,以检查 血管平滑肌的功能以及海马血氧供应是否可以恢复以抵消 淀粉样蛋白介导的局灶性缺氧/缺血并改善记忆丧失总而言之,本研究旨在改善记忆丧失。 建立淀粉样蛋白介导的神经血管功能障碍与记忆之间的直接因果关系 通过开发和应用双向深部神经元,可以减少阿尔茨海默病的发源地海马体的损失。 更广泛地说,改变了神经血管相互作用和错误折叠的蛋白质聚集。 与多种脑部疾病相关,包括但不限于 AD。 以及神经活动、血氧输送和病理分子过程的局部操纵 无论啮齿动物的大脑深度如何,双向深脑接口有望在以下领域找到广泛的应用: 基础和转化脑研究。

项目成果

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