eLIFE:不是科幻!科学家用磁场远程刺激大脑,“遥控”身体动作
2017/08/22
来自布法罗大学的研究人员开发了一种名为磁热刺激的技术,通过利用磁性纳米粒子刺激装备了温度敏感性离子通道的神经元,从而激活特定一组神经元。研究人员借此可以控制小鼠的身体运动,包括跑步、旋转和失去运动能力。


用磁场激活大脑细胞,操控身体运动。这项听上去有点儿科幻的“黑科技”如今已经被科学家们实现了。来自布法罗大学的研究人员开发了一种名为磁热刺激的技术,借此可以控制小鼠的身体运动,包括跑步、旋转和失去运动能力。这项新技术不仅可能会促进神经疾病的治疗,同时也给神经科学家提供了一个强大的新工具:一种远程的、微创的方式来触发大脑深部的活动,并开启或关闭特定的细胞来研究它们的变化对生理的影响。该研究发表在8月15日的eLife期刊上。

“现在,要绘制控制行为和情绪的神经回路还需要进行许多工作。”首席研究员Arnd Pralle博士说,他是布法罗大学艺术与科学学院的物理学教授。“我们的大脑是如何工作的?”我们所开发的技术可以极大地帮助解决这个问题。”

了解大脑如何工作,不同脑区之间如何相互交流并控制行为——这是治疗神经疾病的关键。这些疾病涉及到特定神经元的损伤或功能失调。创伤性脑损伤、帕金森氏症、肌张力障碍和周围神经性瘫痪都属于这一类。此外,这项技术也可以帮助科学家们寻求通过大脑刺激来治疗抑郁症和癫痫等疾病。

磁热刺激刺激如何工作?

磁热刺激的原理是利用磁性纳米粒子刺激装备了温度敏感性离子通道的神经元。首先,科学家利用基因工程使特定神经元表达热激活的离子通道。然后,研究人员将特制的磁性纳米粒子注入到大脑的目标区域。这些纳米粒子附着在目标神经元表面,形成一层薄薄的覆盖物,就像洋葱的表皮一样。当交变磁场作用于大脑时,纳米粒子的磁化迅速翻转,产生热量,使目标细胞变热。迫使温度敏感性的离子通道打开,从而刺激神经元放电。


注射的磁性纳米颗粒(红色)覆盖到了纹状体的目的神经元上。图片来源:eLIFE

靶向特定大脑区域

在小鼠中,Pralle的团队成功地激活了大脑的三个不同区域,以诱导特定的运动功能。刺激运动皮层的细胞使动物奔跑,刺激纹状细胞的细胞则使动物们转向,而当科学家们激活大脑中一个更深处的区域时,小鼠僵直,无法移动四肢。

Pralle说:“使用这种的方法,我们可以瞄准非常小的一组细胞,一个大约100微米的区域,相当于人类头发的粗细。”

磁热刺激的优势

10多年来,Pralle一直在努力推进磁热刺激。在此之前,他曾证明该技术在激活培养皿神经元中的作用,而且还控制了线虫行为。

Pralle说,与其他深脑刺激方法相比,磁热刺激有一些优势。比如,近几年来十分热门的光遗传学技术,通过用光激活细胞。这就需要在大脑中植入微小的光纤电缆,而磁热刺激则是远程进行的,创伤更小。他补充道,即使在小鼠的大脑被刺激了几次之后,目标神经元也没有损伤迹象。

该研究的下一步是在小鼠中同时使用磁热刺激来激活和沉默多个脑区。Pralle正在与麻省理工学院的研究人员Polina Anikeeva博士以及哈佛医学院合作。该研究小组从美国国立卫生研究院获得了350万美元的资金,用于继续研究。

参考资料:

Magneto-thermal genetic deep brain stimulation of motor behaviors in awake, freely moving mice

Scientists use magnetic fields to remotely stimulate brain—and control body movements

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  • Magneto-thermal genetic deep brain stimulation of motor behaviors in awake, freely moving mice

    Establishing how neurocircuit activation causes particular behaviors requires modulating the activity of specific neurons. Here, we demonstrate that magnetothermal genetic stimulation provides tetherless deep brain activation sufficient to evoke motor behavior in awake mice. The approach uses alternating magnetic fields to heat superparamagnetic nanoparticles on the neuronal membrane. Neurons heat-sensitized by expressing TRPV1 are activated with magnetic field application. Magnetothermal genetic stimulation in the motor cortex evoked ambulation, deep brain stimulation in the striatum caused rotation around the body-axis, and stimulation near the ridge between ventral and dorsal striatum caused freezing-of-gait. The duration of the behavior correlated tightly with field application. This approach provides genetically and spatially targetable, repeatable and temporarily precise activation of deep-brain circuits without need for surgical implantation of any device.

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