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.

Ultrasound has been used to manipulate cells in both humans and animal models. While intramembrane cavitation and lipid clustering have been suggested as likely mechanisms, they lack experimental evidence. Here we use high-speed digital holographic microscopy (to 100-kHz order) to visualize the cellular membrane dynamics. We show that neuronal and fibroblast membranes deflect about 150 nm upon ultrasound stimulation. Next, we develop a biomechanical model that predicts changes in membrane voltage after ultrasound exposure. Finally, we validate our model predictions using whole-cell patch clamp electrophysiology on primary neurons. Collectively, we show that ultrasound stimulation directly defects the neuronal membrane leading to a change in membrane voltage and subsequent depolarization. Our model is consistent with existing data and provides a mechanism for both ultrasound-evoked neurostimulation and sonogenetic control.

The field of ultrasound neuromodulation has rapidly developed over the past decade, a consequence of the discovery of strain-sensitive structures in the membrane and organelles of cells extending into the brain, heart, and other organs. Notably, clinical trials are underway for treating epilepsy using focused ultrasound to elicit an organized local electrical response. A key limitation to this approach is the formation of standing waves within the skull. In standing acoustic waves, the maximum ultrasound intensity spatially varies from near zero to double the mean in one half a wavelength, and can lead to localized tissue damage and disruption of normal brain function while attempting to evoke a broader response. This phenomenon also produces a large spatial variation in the actual ultrasound exposure in tissue, leading to heterogeneous results and challenges with interpreting these effects. One approach to overcome this limitation is presented herein: transducer-mounted diffusers that result in spatiotemporally incoherent ultrasound. The signal is numerically and experimentally quantified in an enclosed domain with and without the diffuser. Specifically, we show that adding the diffuser leads to a two-fold increase in ultrasound responsiveness of hsTRPA1 transfected HEK cells. Furthermore, we demonstrate the diffuser allow us to produce an uniform spatial distribution of pressure in the rodent skull. Collectively, we propose that our approach leads to a means to deliver uniform ultrasound into irregular cavities for sonogenetics.

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 Ultrasound has been shown to affect the function of both neurons and non-neuronal cells. However, the underlying molecular machinery has been poorly understood. Here, we show that at least two mechanosensitive proteins act in parallel to generate C. elegans behavioral responses to ultrasound stimuli. We first show that these animals generate reversals in response to a single 10 msec pulse from a 2.25 MHz ultrasound transducer. Next, we show that the pore-forming subunit of the mechanosensitive channel TRP-4, and a DEG/ENaC/ASIC ion channel MEC-4, are both required for this ultrasound-evoked reversal response. Further, the trp-4 mec-4 double mutant shows a stronger behavioral deficit compared to either single mutant. Finally, overexpressing TRP-4 in specific chemosensory neurons can rescue the ultrasound-triggered behavioral deficit in the mec-4 null mutant, suggesting that these two pathways act in parallel. Together, we demonstrate that multiple mechanosensitive proteins likely cooperate to transform ultrasound stimuli into behavioral changes.