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[导读] 科学家使用磁性纳米粒子激活大脑内小范围的细胞群,可以引发肢体运动,包括跑、翻滚以及对四肢失去控制,这对于研究和治疗神经系统疾病来说是一项进步。

 科学家使用磁性纳米粒子激活大脑内小范围的细胞群,可以引发肢体运动,包括跑、翻滚以及对四肢失去控制,这对于研究和治疗神经系统疾病来说是一项进步。

研究人员开发的这项技术称为磁性热刺激。它给了神经科学家一个强大的工具:远程、微创的方式触发大脑深处的活动,使得特定的神经元细胞可以在激活和静默之间切换,以研究这些改变对生理有什么样的影响。

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“现在正在进行很多工作以绘制控制行为和情感的神经元通路,”研究的领导者Arnd Pralle博士说,他是布法罗大学艺术与科学学院的教授,“我们思想的计算机究竟是如何工作的?我们开发的这项技术可以在很大程度上给到帮助。”

对于涉及特定神经元组的损伤或功能障碍疾病来说,解读大脑如何工作,器官内的各个部分之间如何通信及控制行为,是开发治疗方法的关键。创伤性脑损伤、帕金森疾病、肌张力障碍和外周麻痹都属于这一类

Pralle团队报告的进展也可以帮助科学家寻求方法,直接通过大脑刺激治疗多种疾病,例如抑郁、癫痫。

研究是在小鼠身上进行的,研究发表在8月15日的《eLife》上。磁性热刺激是使用磁性纳米粒子刺激神经元,结合温度敏感的离子通道。当纳米粒子通过外加磁场被加热,大脑细胞放电使得离子通道打开。

靶向高度特异性大脑区域

绿色区域为纹状体中被靶向的细胞。

在小鼠中,Pralle的团队成功激活了大脑的三个区域,诱发特定的运动功能。

刺激运动皮质的细胞使得小鼠跑动,而刺激纹状体的细胞使得小鼠转圈。当科学家激活大脑深度区域时,小鼠的行动就被冻结,无法移动它们的四肢。

“通过我们的方法,我们可以靶向非常小的一组细胞,大概是一个100微米左右的区域,像人类一根头发那样的宽度,”Pralle说。

磁性热刺激是如何起作用的?

磁性热刺激可以使得研究者使用加热磁性纳米粒子激活大脑内单个的神经元。

它是如何起作用的呢?首先,科学家们使用基因工程诱导一个特定的DNA链靶向神经元,使得这些细胞能够产生热激活的离子通道。然后,研究人员注射特制的磁性纳米粒子到大脑内同一区域。这些纳米粒子会锁定到目标神经元的表面上,形成像洋葱皮一样的薄覆盖层。

研究人员在这项研究中使用的纳米粒子具有这样的结构,锰铁复合壳体包围着钴铁复合磁芯。

当一个外加的交变磁场应用于大脑,它使得磁性纳米粒子快速翻转,产生了加热靶向细胞的热量。这迫使温度敏感的离子通道打开,刺激神经元放电。

超越其他方法,如光遗传学

Pralle十年来致力于推进磁热刺激。他最初证明了该技术在培养皿中有激活神经元的效果,然后用来控制一种微小线虫的行为。

Pralle表示,磁性热刺激具有一些超越其他深层脑刺激方法的优点。

广为人知的技术之一——光遗传学,使用光替代磁性加热激活细胞。但是光遗传学通常需要在大脑中植入微小的光纤电缆,而磁性热刺激相对来说,可以远程操作,侵入性更小,Pralle说。他补充道,甚至于在小鼠的大脑经受数次刺激之后,靶向的神经元依然没有损伤的迹象。

研究的下一步是使用磁性热刺激激活和静默小鼠大脑的不同区域,在同一时间进行。Pralle正与麻省理工学院的研究人员Polina Anikeeva博士和哈佛医学院合作,共同致力于这个项目的推进。我们期待这种微创的方法能够更好的精准控制大脑的活动,为多种大脑相关疾病的治疗带来希望。

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