EN
公司动态学术会议市场活动文章发表

首页 > 公司介绍 > 新闻动态 > 文章发表

项目文章 | 大鼠脑对交流电刺激反应的单细胞核转录组学分析
发布时间:2024-05-29 10:26:09  

2024年3月,中国科学院深圳先进技术研究院的王言、刘倩团队,发表了一篇题为“Transcriptomic analysis of rat brain response to alternating current electrical stimulation: unveiling insights via single‐nucleus RNA sequencing”的封面文章,该研究提供了颅内交流电刺激(iACS)下,大鼠皮层、海马体和丘脑的第一个单细胞核转录组测序(snRNA-seq)图谱,描述在正常生理条件下对iACS有反应的特定细胞类型和基因。这些结果将为在40Hz iACS神经调节下大脑内神经细胞和基因的安全性提供重要的早期见解,并确定了潜在的细胞靶标。同时文中的伽马交流电刺激方案已经申请中国专利局发明专利,有望以此为基础,开发出用于精准神经再生调控或成瘾性戒断治疗的经颅电刺激神经调控仪器设备。此外,该论文成果还受到美国科学促进会(AAAS)Eurekalert!新闻网站的关注和报道。(新闻连接:https://www.eurekalert.org/news-releases/1037968)

新格元在该研究中提供了新格元GEXSCOPE®单细胞核转录组测序。

下面和元小新一起来看看吧~

 

研究背景

脑电刺激作为前沿的脑机接口与控脑调节技术,正逐步成为神经调节与脑部疾病康复治疗领域的研究热点。特别是交流电刺激技术,通过其独特的交流电夹带效应(例如:40Hz的经颅交流电刺激)能够有效实现脑功能的精准调控。这一技术在调节脑电活动、提升认知能力、以及修复学习记忆障碍方面的应用,已经在近年的研究中得到了广泛报道。然而,关于交流电刺激对于脑部的局部与全局响应参数、特定响应神经细胞类群以及主要差异基因的影响等方面的研究,目前仍然依赖于更多的实验数据来进一步深化和验证。

 

方法流程

 

研究结果

1.颅内交流电刺激方案和脑源电场分布

为了量化iACS在大脑深处的覆盖范围,作者进行了有限元法(FEM)模拟,并测量了具有单侧或双侧iACS的大鼠大脑中的脑源电场(EF)。结果表明,iACS可以在保持全频的同时,以250μA将40Hz信号传递到更深的大脑。然而,随着从表面到大脑深处的距离增加,EF的强度逐渐降低。此外,单侧iACS在同侧半球内产生了集中的局部影响。而双侧iACS包含的区域更广泛,影响两个半球,但EF的强度较低。

图1 iACS和衍生脑电场(EF)的研究设计

 

2.iACS大鼠皮层、海马体和丘脑的神经元亚群变化

snRNA-seq图谱总共包含285,347个细胞,包括皮层中的108,996个细胞(图2C,D),海马体中有88,592个细胞(图2G,H),分析了丘脑中的87,759个细胞(图2K,L),将大鼠皮层、海马体和丘脑中的细胞分别聚类,均注释出了神经元、少突胶质细胞、小胶质细胞、脉络丛细胞、星形胶质细胞等(图2A-L)。

图2 iACS治疗的大鼠皮层、海马体和丘脑的snRNA-seq分析

 

3.iACS增强了神经元群

结合皮层样本的snRNA-seq、real-time PCR和免疫荧光分析的结果,ips-iACS在增加皮层神经元方面最有效。同时,任何iACS方案对神经胶质细胞均未发现显着或规律的变化(图2E-F,图3A-D)。海马样本中的snRNA-seq、real-time PCR和免疫荧光分析表明,ips-iACS和bi-iACS在增加海马神经元数量方面非常有效。而con-iACS对神经元增加没有表现出显着影响。此外,与在皮层中的观察类似,没有一个iACS方案显示出对海马体神经胶质细胞的显着影响(图2I-J, 图3E-H)。丘脑中通过snRNA-seq、real-time PCR和免疫荧光分析的结果表明证实,ips-iACS对丘脑中神经元的诱导作用较弱,此外,三种iACS治疗对丘脑中的其他细胞类型表现出不规则的影响。综上,说明神经元是所有三个大脑区域(皮层、海马体和丘脑)对iACS做出反应的主要细胞类型。

图3 iACS大鼠皮层、海马体和丘脑中神经元和神经胶质细胞的免疫荧光

 

4.神经元中的Rgs9受iACS负调控

当神经元被确定为对ips-iACS和其他iACS方案最敏感的细胞类型时,作者接下来对神经元进行亚群细分,并分别在皮层、海马体和丘脑中比较ips-iACS的神经元与sham组神经元的差异表达基因。其中,三个大脑区域都发现了Rgs9基因的显著下调。将Rgs9高表达的亚群定义为Rgs9+神经元细胞。对细胞比例观察发现Rgs9+神经元细胞,在三个大脑区域的ips-iACS处理后细胞比例显著下调,且在皮层中下降最多。实时荧光定量PCR结果一致显示,在iACS治疗后,皮层、海马体和丘脑的Rgs9表达降低(图4)。通过免疫荧光进一步证实了Rgs9+神经元比例的衰减(图5)。综上所述,在响应ips-iACS时观察到Rgs9表达最显着的降低。Rgs9表达减少在皮层减少幅度最大,其次海马体,最后是丘脑。这一趋势表明与iACS产生的脑内源性EF的强度相关,表明对EF强度的依赖性。

图4 iACS治疗对Rgs9基因表达的差异

图5  iACS治疗的大鼠大脑中Rgs9+神经元的免疫荧光

 

5.iACS诱导神经元中的Rgs9信号传导

当Rgs9被确定为神经元中对iACS有反应的关键基因时,接下来对皮层、海马体和丘脑内Rgs9阳性神经元中上调的基因的通路富集进行了分析。GO分析发现Rgs9与神经元分化、成熟和对苯丙胺、吗啡和尼古丁等物质的药物反应过程有关(图6A-C)。通过分析皮层组织样本中的蛋白质表达,进一步检查了与iACS下调Rgs9相关的进一步细胞内信号转导,结果显示ips-iACS处理后Rgs9的减少最显着,而β-catenin通路则被激活(图6D-H)。随着Rgs9在RNA水平上的下调,RGS9的蛋白表达也被检测到下调,R7BP和Gβ5两种蛋白被认为是RGS9/R7BP/Gβ5复合物的另外两个成员,没有发生显著的变化(图6D,E)。结果表明,iACS可以负调控Rgs9的表达,进而影响RGS9/R7BP/Gβ5复合物的功能,然而,iACS不直接影响复合物的R7BP或Gβ5组分;另一方面,iACS通过下调Rgs9触发β-catenin激活。这两种信号都为iACS治疗的大脑中的神经元富集提供了另一种潜在的解释。

图6 TAM_SPP1高表达MMP9,在CK19 + HCC中特异性富集且代表不良的预后

 

结论

该研究在40Hz的iACS下提供了大鼠皮层、海马体和丘脑的snRNA-seq图谱。神经元细胞被鉴定为对iACS敏感的特定细胞类型,表现为绝对神经元数量和相对比例的增加。有趣的是,iACS在神经元中诱导的基因表达水平变化不到0.1%。而Rgs9被鉴定为神经元中独特的减少表达基因。单侧iACS对Rgs9+神经元比例衰减产生了更集中的局部效应。由于Rgs9是G蛋白和β-catenin活性的负调节因子,本研究结果提供了一种新的机制,即iACS通过其对神经元中Rgs9的独特下调作用,成为增强神经发生和神经元敏化的潜在治疗方法。这项研究增强了对iACS神经调节对健康脑细胞和基因影响的理解,为靶向细胞、反应基因和有效刺激策略提供了新的信息,为EBS在许多脑部疾病中的进一步应用提供了新的信息。

 

参考文献

Yan Wang , Yongchao Ma, Qiuling Zhong , et al. Transcriptomic analysis of rat brain response to alternating current electrical stimulation: unveiling insights via single-nucleus RNA sequencing.MedComm (2020). 2024 Mar 15;5(4):e514. doi: 10.1002/mco2.514. eCollection 2024 Apr.

联系我们
  • 微信公众号
  • 售后公众号