A sonogenetic brain-machine interface for neurosciences and visual restoration

Projektbeschreibung

Sonogenetische Gehirn-Computer-Schnittstelle für neurologische Störungen

Für Gehirn-Computer-Schnittstellen werden meist Arrays mit mehreren Elektroden eingesetzt. Diese Systeme weisen jedoch Einschränkungen auf. Durch die Expression von mechanosensitiven Proteinen in Neuronen ist es seit Kurzem möglich, diese Neuronen durch Ultraschall mit hohen Frequenzen zu aktivieren. Das Verfahren wird Sonogenetik genannt. Bei einer kürzlich durchgeführten Studie wurden kortikale Neuronen in vivo bei Nagetieren mittels Ultraschall mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bei geringer Intensität aktiviert. Über das ERC-finanzierte Projekt NeuroSonoGene soll nun eine sonogenetische Strategie zur Aktivierung und Hemmung neuronaler Netze im Gehirn mittels Ultraschallwellen aufgestellt werden. Das Team wird monogenetische Aktoren optimieren, Technologien zur gemusterten Ultraschallstimulation entwerfen und die Wirksamkeit des Ansatzes zur Kontrolle des visuellen Kortex bei Primaten demonstrieren. Das Ziel ist letztendlich, eine Gehirn-Computer-Schnittstelle zu erstellen, um die Funktion neuronenähnlicher Schaltkreise zu erforschen. Sie wird auch in der Neurologie zum Beispiel zur Wiederherstellung des Sehvermögens einsetzbar sein.

Ziel

Brain-machine interfaces are classically based on multi-electrode arrays. Optogenetics has revolutionized this ability to control neuronal activity through ectopic opsin expression but its application to large brains remains limited because of tissue light absorption and scattering. Ultrasound waves have been proposed for remote neuromodulation, but this approach has remained restricted to low-frequency excitation, to prevent brain tissue overheating, at the expense of spatial resolution. The expression of mechanosensitive proteins in neurons has recently made it possible to achieve the ultrasound (US) activation of neurons at high US frequencies, an approach named “sonogenetic”.
Using the MscL mechanosensitive ionic channel, we recently provided a first proof of concept in rodents that cortical neurons can be activated in vivo by ultrasounds at a high spatiotemporal resolution and low intensity. Here, we propose to develop an integrated sonogenetic strategy for distant activation/inhibition of neuronal networks by ultrasound waves in large primate brains. The project includes: 1) optimizing and diversifying the sonogenetics actuators for safe neuronal control 2) designing technologies for patterned ultrasound stimulations, 3) demonstrating efficacy and high spatiotemporal resolution of the sonogenetic approach in controlling the primate visual cortex. This project is based on a unique synergistic combination of expertise, with a synthetic biologist in ion channel engineering, a neurobiologist with expertise in vision, and a physicist with expertise in ultrasound technologies. These 3 PIs will be supported by an expert in AAV vector mediated delivery. The project outcomes will be a novel brain-machine interface for investigating neural circuit function even deep within large brains through contactless sonogenetics. This sonogenetic technology will open new avenues for treating neurological dysfunction such as restoring vision in blind patients.