Ученым давно известно, что ультразвуковые волны могут влиять на клетки разными способами. Например, врачи используют ультразвук для стимуляции кровеносных сосудов и костей; он также используется в тепловой терапии. Применительно к нейронам ультразвуковые волны могут изменить то, как нейроны генерируют и передают электрические сигналы. «Ультразвук, как известно, делает с клетками все, что угодно, – говорит профессор.
Киммел, "но во многих случаях неясно, как это работает, особенно когда речь идет о нервной стимуляции."
Новая модель может помочь прояснить большую часть этого поведения.
Этот новый способ понимания взаимодействия звуковых волн и клеток основан на клеточной мембране. Эта микроскопическая структура представляет собой кожу, которая окружает клетку, удерживая органеллы, такие как ядро и содержащуюся в нем ДНК, внутри, а остальной мир – снаружи. Молекулы, образующие мембрану, расположены таким образом, что есть два слоя с промежутком между ними.
Согласно модели Киммеля, когда ультразвуковые волны сталкиваются с клеткой, два слоя клеточной мембраны начинают вибрировать (подобно тому, как вибрируют голосовые связки человека, когда воздух проходит через гортань). Клеточные мембраны также действуют как конденсаторы, накапливая электрический заряд. Когда слои вибрируют, электрический заряд мембраны также перемещается, создавая переменный ток, который приводит к накоплению заряда. Чем дольше продолжаются колебания, тем больше заряда накапливается в мембране.
В конце концов, накапливается достаточно заряда для создания потенциала действия.
Команда Техниона смогла использовать модель для прогнозирования экспериментальных результатов, которые затем были проверены с помощью экспериментов по стимуляции мозга, проведенных на мышах командой из Стэнфордского университета. По словам проф.
Шохам, это «первая предсказательная теория ультразвуковой стимуляции."Все эти результаты означают, что ученые могут быть на грани того, чтобы наконец понять, как ультразвук влияет на нервные клетки.
И это новое понимание может привести к новым важным медицинским достижениям. Например, ученые могут использовать ультразвуковые волны для исследования внутренней структуры мозга – неинвазивный метод, который будет безопаснее имплантации электродов и дополнит информацию, полученную при сканировании МРТ.
Врачи также могли бы использовать ультразвук для лечения эпилептических припадков. И Шохам начал изучать способы, которыми ультразвуковые волны могут стимулировать клетки сетчатки, возможно, создавая изображения и позволяя людям видеть без света. «Есть большой потенциал для дополнительных приложений», – говорит Киммел.
Выводы команды Техниона также показывают, насколько важно теоретическое понимание вещей в природе. В конце концов, говорит Шохам, «с эффектами, которые вы не понимаете, вы можете сделать так много."