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 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.

Abstract Hemichordates are an important group for investigating the evolution of bilaterian nervous systems. As the closest chordate outgroup with a bilaterally symmetric adult body plan, hemichordates are particularly informative for exploring the origins of chordates. Despite the importance of hemichordate neuroanatomy for testing hypotheses on deuterostome and chordate evolution, adult hemichordate nervous systems have not been comprehensively described using molecular techniques, and classic histological descriptions disagree on basic aspects of nervous system organization. A molecular description of hemichordate nervous system organization is important for both anatomical comparisons across phyla and for attempts to understand how conserved gene regulatory programs for ectodermal patterning relate to morphological evolution in deep time. Here, we describe the basic organization of the adult hemichordate Saccoglossus kowalevskii nervous system using immunofluorescence, in situ hybridization, and transgenic reporters to visualize neurons, neuropil, and key neuronal cell types. Consistent with previous descriptions, we found the S. kowalevskii nervous system consists of a pervasive nerve plexus that is concentrated in the anterior, along with nerve cords on both the dorsal and ventral sides. Neuronal cell types exhibited clear anteroposterior and dorsoventral regionalization in multiple areas of the body. We observed spatially demarcated expression patterns for many genes involved in synthesis or transport of neurotransmitters and neuropeptides but did not observe clear distinctions between putatively centralized and decentralized portions of the nervous system. In the trunk, there is a clear division of cell types between the dorsal and ventral cords suggesting differences in function. The plexus shows regionalized structure and is consistent with the proboscis base as a major site for information processing rather than the dorsal nerve cord. The absence of neural processes crossing the basement membrane into muscle and extensive axonal varicosities suggest that volumetric transmission may play an important role in neural function. These data now facilitate more informed neural comparisons between hemichordates and other groups and contribute to broader debates on the origins and evolution of bilaterian nervous systems.