Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals. However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body. Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 (hsTRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hsTRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hsTRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hsTRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hsTRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.

Abstract Hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) can lead to the establishment of a long-lasting microglia-like progeny in the brain of properly myeloablated hosts. We exploited this approach to treat the severe CLN1 neurodegenerative disorder, which is the most aggressive form of neuronal ceroid lipofuscinoses, due to deficiency of palmitoyl-protein thioesterase 1 (hPPT1). We here provide first evidence that: i) transplantation of wild type HSPCs exerts a partial but long-lasting mitigation of the symptoms; ii) transplantation of HSPCs over-expressing hPPT1 by lentiviral gene transfer enhances therapeutic benefit as compared to wild type cell transplant, with first demonstration of such a dose-effect benefit for a purely neurodegenerative condition like CLN1 disease; iii) transplantation of hPPT1 over-expressing HSPCs by a novel intracerebroventricular (ICV) approach is sufficient to transiently ameliorate CLN1 disease symptomatology in the absence of hematopoietic tissue engraftment of the transduced cells; and iv) the combinatorial transplantation of transduced HSPCs intravenously and ICV results in the most robust therapeutic benefit among the tested approaches on both pre-symptomatic as well as symptomatic animals. Overall, these findings provide first evidence of the efficacy and feasibility of this novel approach to treat CLN1 disease and possibly other neurodegenerative conditions, paving the way for its future clinical application.

Abstract Functional interactions between G protein-coupled receptors are poised to enhance neuronal sensitivity to neuromodulators and therapeutic drugs. Mu and Delta opioid receptors (MORs and DORs) can interact when overexpressed in the same cells, but whether co-expression of endogenous MORs and DORs in neurons leads to functional interactions is unclear. Here, we show that both MORs and DORs inhibit parvalbumin-expressing basket cells (PV-BCs) in hippocampal CA1 through partially occlusive signaling pathways that terminate on somato-dendritic potassium channels and presynaptic calcium channels. Using photoactivatable opioid neuropeptides, we find that DORs dominate the response to enkephalin in terms of both ligand-sensitivity and kinetics, which may be due to relatively low expression levels of MOR. Opioid-activated potassium channels do not show heterologous desensitization, indicating that MORs and DORs signal independently. In a direct test for heteromeric functional interactions, the DOR antagonist TIPP-Psi does not alter the kinetics or potency of either the potassium channel or synaptic responses to photorelease of the MOR agonist DAMGO. Thus, despite largely redundant and convergent signaling, MORs and DORs do not functionally interact in PV-BCs. These findings imply that crosstalk between MORs and DORs, either in the form of physical interactions or synergistic intracellular signaling, is not a preordained outcome of co-expression in neurons.

The supraspinal descending pain modulatory system (DPMS) shapes pain perception via monoaminergic modulation of sensory information in the spinal cord. However, the role and synaptic mechanisms of descending noradrenergic signaling remain unclear. Here, we establish that noradrenergic neurons of the locus coeruleus (LC) are essential for supraspinal opioid antinociception. Unexpectedly, given prior emphasis on descending serotonergic pathways, we find that opioid antinociception is primarily driven by excitatory output from the ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG) to the LC. Furthermore, we identify a previously unknown opioid-sensitive inhibitory input from the rostroventromedial medulla (RVM), the suppression of which disinhibits LC neurons to drive spinal noradrenergic antinociception. We also report the presence of prominent bifurcating outputs from the vlPAG to the LC and the RVM. Our findings significantly revise current models of the DPMS and establish a novel supraspinal antinociceptive pathway that may contribute to multiple forms of descending pain modulation.

Abstract Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals 1–4 . However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body 5–8 . Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 ( hs TRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hs TRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hs TRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hs TRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hs TRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.