基于声表面波微流控芯片的线虫触觉功能精准调控研究

The regulation of the neural functions in vivo should be noninvasive, deep, and highly accurate and tunable in the focus area. Ultrasound has the potential to meet the requirments, however, the current spatial resolution of ultrasound can only achieve millimeter scale. To precisely regulate the neural functions of alive C. elegans in vivo, we will firstly develop an integrated microfluidic surface acoustic wave (SAW) chip, enabling alive worm immobilization, controllable mechanical stimulating, micrometer scale acoustic beam focusing and moving, with microfluidic technologies including membrane microvalve, laminar flow and sheath flow. Secondly, we will stimulate the mechanosensory neurons in vivo, and reveal the common features of the calcium fluorescence signals and the relationship with ultrasound parameters. On the basis of above researches, we will analyze the transient changes and long-term effects caused by short-term and repeated regulations, and compare the differences of functional regulation between mutants and wild-type C. elegans. This project will provide a new method for precisely regulating the neural functions of C. elegans, and help to understand the treatment mechanism of neural functional diseases by ultrasound.

神经功能的在体调控方法不仅需要安全无创、深层可达，而且要求调控区域高度精准、时空可调。超声具备这样的潜力，然而它目前的空间分辨率只能达到毫米级尺度。本项目拟针对精准调控在体神经功能的需求，以线虫触觉为对象，研制声表面波微流控器件，综合使用微阀、层流、鞘流技术，无损固定活体线虫、输出可控机械刺激，并聚焦和移动微米级声焦束，达到精准定位刺激线虫在体神经元的目的；并揭示超声刺激下活体线虫头部机械感受神经元的钙信号共性特征，及其与超声激励条件的相关性；在此基础上，分析线虫触觉功能受短期及重复性超声调控引起的瞬态变化及长期效应，比较基因缺陷型与野生型线虫触觉功能受超声调控的差异性。该项目的实施将为无创精准调控线虫神经功能提供一种新方法；同时，基于线虫水平的在体神经调控研究将为超声辅助治疗神经功能疾病提供理论依据。

神经功能的在体调控方法不仅需要安全无创、深层可达，而且要求调控区域高度精准、时空可调。超声已表现出能够调控动物及人类神经功能的巨大潜力。在本项目中，我们首先提出了一种泛场超声神经调控芯片，能够在单次短脉冲超声的刺激下启动秀丽隐杆线虫的反转行为并激活其新神经元。约85.29%±6.17%的线虫对超声刺激有反应，表现出逆转行为。此外，在较短的声脉冲刺激时间内，线虫可以适应超声刺激。钙成像结果表明，超声刺激也可直接诱发秀丽隐杆线虫多感神经元ASH的活性。另一方面，刺激过程中温度升高幅度相对较小，热敏神经元AFD在相同参数的超声刺激下无法被激活，温度升高敏感的tax-4突变体在逃避行为概率上没有显著差异等研究结果表明，主导秀丽隐杆线虫神经和行为调节的主要原因是超声的机械效应，而非热效应。在此基础上，我们尝试提高超声调控的精度。利用微流控鞘流技术，在微流道内形成、移动气-液-气鞘流; 利用水和空气对声的传导能力差距，将超声的焦点区域限制在几十个微米直径大小的液流上方; 并能形成多个焦点，和在毫米级范围内任意的移动及变化尺寸，实现了微米级可调声场以及多个声焦域的形成、调节和移动的目的。其后，研究了活体线虫感受微米级声场时的神经元活动变化，以及线虫身体不同部位感受声焦域的神经元敏感性差异。以上基于泛场与微米级声场的神经调节芯片可作为揭示超声神经调节分子机制的有力工具，并为无创精准调控在体神经功能提供一种新方法。.在执行期内，也完成了一项纳升级移液机器人的研发。设计了一种基于微流控结构的容器盖，将自动化机器人和标准的实验室常用液体容器无缝对接起来，实现了利用机器人自动化高精度移液的目的。与大多数生物实验室中通常使用的移液系统相比，该系统在纳升到微升量级的移液效率和准确性上大大提高。并且，得益于模块化设计、易于加工和多任务处理能力,在无吸头移液自动化方面将会具有巨大的潜力。