Les canaux ioniques mécanosensibles Piezo1 et Piezo2 régulent la réponse des rongeurs à la stimulation du cortex moteur cérébral par ultrason focalisé transcrânien

Contexte académique

La neuromodulation par ultrason focalisé transcrânien (Transcranial Focused Ultrasound, TFUS) est une technique de stimulation cérébrale non invasive et profonde, montrant un potentiel énorme pour la recherche sur les circuits neuronaux et le traitement des maladies cérébrales grâce à sa haute précision et sécurité. Cependant, les mécanismes d’action spécifiques du TFUS ne sont pas encore entièrement compris. Des études ont montré que l’effet mécanique des ultrasons, en particulier la force de radiation acoustique (Acoustic Radiation Force, ARF), pourrait influencer l’activité neuronale en interagissant avec les canaux ioniques mécanosensibles. Par conséquent, comprendre le rôle de ces canaux ioniques dans la régulation neurale par TFUS est d’une importance capitale pour le développement de nouvelles techniques de traitement des maladies cérébrales.

Source de l’article

Cette étude a été réalisée par Tianqi Xu, Ying Zhang, Dapeng Li, Chunhao Lai, Shengpeng Wang et Siyuan Zhang, tous affiliés au Département de Bioingénierie de l’École des Sciences et Technologies de la Vie de l’Université Jiaotong de Xi’an et au Centre de Recherche Cardiovasculaire de l’Institut de Recherche Médicale Fondamentale de la même université. Cet article a été accepté par la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering et devrait être publié officiellement en 2024.

Détails de l’étude

Objectifs de l’étude

Cette étude vise à explorer le rôle des canaux ioniques mécanosensibles Piezo1 et Piezo2 dans la réponse mécanique du cortex cérébral des souris. Premièrement, l’équipe de recherche a spécifiquement réduit l’expression de Piezo1 et Piezo2 dans le cortex cérébral des souris et a comparé la réponse motrice des différentes groupes de souris sous stimulation TFUS. Ensuite, ils ont observé l’activité neuronale induite par les ultrasons via la fluorescence immunitaire de c-fos.

Étapes de l’étude et conception expérimentale

1. Préparation des virus et injection stéréotaxique in vivo : Trois vecteurs AAV9 ont été utilisés : un pour knockdown (réduction) de Piezo1, un pour knockdown de Piezo2, et un vecteur témoin. Les virus ont été injectés dans la zone du cortex moteur des souris par injection stéréotaxique. Chaque souris (au total 78, toutes des mâles C57BL/6J de 8 semaines) a reçu une injection au niveau des coordonnées AP 0.50 mm, ML -1.00 mm, DV 1.00 mm. Trois semaines après l’injection, des stimulations TFUS et des tests ont été réalisés.

2. Analyse de l’expression : La technique RT-PCR a été utilisée pour vérifier l’efficacité du knockdown de l’ARNm de Piezo1 et Piezo2. Les résultats ont montré que l’expression des ARNm de Piezo1 et Piezo2 était significativement réduite dans les groupes knockdown.

3. Protocole de neuromodulation par ultrason : Un transducteur concave à une seule unité avec une fréquence de 620 kHz a été utilisé, avec une durée de pulse de 2 ms, une fréquence de 250 Hz, et un temps total de stimulation de 400 ms. Un générateur de formes d’onde arbitraires à deux canaux conçu en interne et un amplificateur de puissance ont été utilisés pour générer les pulses ultrasoniques. Les données de potentiel de scalp ont été enregistrées pour 20 stimulations ultrasoniques pour chaque groupe expérimental.

4. Immunofluorescence et évaluation de la biosécurité : L’activité neuronale a été observée par marquage immunofluorescent de c-fos. De plus, les analyses de coloration H&E, Nissl et TUNEL ont été réalisées pour évaluer l’intégrité structurelle et la sécurité cellulaire suite au knockdown de Piezo1 ou Piezo2.

Traitement des données et algorithmes

Les données de potentiel enregistrées ont été traitées à l’aide du logiciel MATLAB. Une réponse motrice réussie est définie par une amplitude de potentiel de crête trois fois supérieure à la moyenne du bruit de fond. Les statistiques ont été réalisées avec le logiciel GraphPad Prism, en utilisant des tests t et des analyses de variance.

Principaux résultats de l’étude

1. Taux de succès de la réponse motrice et temps de latence : Le taux de succès de la réponse motrice des souris C57BL/6J injectées avec le vecteur de contrôle était de 85.69% ± 10.23%, alors que pour les groupes knockdown de Piezo1 et Piezo2, il était respectivement de 57.63% ± 14.62% et 73.71% ± 13.10%. Comparé au groupe de contrôle, la réponse motrice des groupes knockdown a significativement diminué. De plus, les temps de crête pour Piezo1 et Piezo2 knockdown étaient respectivement de 0.62 ± 0.19 secondes et 0.60 ± 0.13 secondes, tous deux significativement plus élevés que les 0.44 ± 0.12 secondes du groupe de contrôle. Cela montre que la simple injection des virus n’interfère pas avec les résultats expérimentaux, et que l’absence de Piezo1 et Piezo2 affecte le taux de succès de la réponse motrice et le temps de réaction dans le cortex.

2. Résultats de l’immunofluorescence de c-fos : L’expression de c-fos après la stimulation ultrasonique était significativement plus élevée pour tous les groupes expérimentaux que pour le groupe sans stimulation. L’expression de c-fos du groupe témoin était significativement plus élevée que celles des groupes knockdown de Piezo1 et Piezo2, avec des valeurs p de 0.0105 et 0.0030, respectivement. Cela démontre que les canaux Piezo jouent un rôle crucial dans la régulation de l’activité neuronale induite par le TFUS.

3. Sécurité biologique : Les analyses de coloration H&E, TUNEL et Nissl ont montré qu’indépendamment du knockdown de Piezo, les tissus cérébraux et les cellules des souris exposées au TFUS ne présentaient pas de dommages structuraux ou d’apoptose, validant ainsi la sécurité du TFUS.

Conclusion et importance

Cette étude a confirmé que les canaux ioniques mécanosensibles Piezo1 et Piezo2 jouent des rôles importants dans la régulation neuronale par TFUS. La réduction de ces canaux diminue significativement le taux de succès de la réponse motrice et retarde le temps de réaction, tout en diminuant l’expression de c-fos induite par le TFUS. Ces résultats approfondissent la compréhension des mécanismes de la stimulation cérébrale non invasive et ouvrent de nouvelles voies pour le traitement des maladies cérébrales.

Points forts de l’étude

1. Première identification du rôle clé de Piezo1 et Piezo2 dans la régulation neuronale par TFUS.
2. Validation systématique des effets non thermiques du TFUS, montrant que ces effets sont réalisés via l’influence mécanomécanique sur les canaux ioniques mécanosensibles.
3. Démonstration des fonctions de Piezo1 et Piezo2 dans la réponse motrice corticale, fournissant de nouvelles pistes pour le traitement futur des maladies cérébrales.

Grâce à cette étude, nous avons non seulement élucidé les mécanismes d’action du TFUS, mais avons également fourni une base scientifique pour une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux de la neuromodulation et des fonctions cérébrales, tout en ouvrant de nouvelles perspectives de recherche pour le développement de méthodes de traitement des maladies cérébrales.