科學(xué)家使用磁性納米粒子激活大腦內(nèi)小范圍的細(xì)胞群，可以引發(fā)肢體運(yùn)動(dòng)，包括跑、翻滾以及對四肢失去控制，這對于研究和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病來說是一項(xiàng)進(jìn)步。

研究人員開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)稱為磁性熱刺激。它給了神經(jīng)科學(xué)家一個(gè)強(qiáng)大的工具：遠(yuǎn)程、微創(chuàng)的方式觸發(fā)大腦深處的活動(dòng)，使得特定的神經(jīng)元細(xì)胞可以在激活和靜默之間切換，以研究這些改變對生理有什么樣的影響。

“現(xiàn)在正在進(jìn)行很多工作以繪制控制行為和情感的神經(jīng)元通路，”研究的領(lǐng)導(dǎo)者Arnd Pralle博士說，他是布法羅大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的教授，“我們思想的計(jì)算機(jī)究竟是如何工作的?我們開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)可以在很大程度上給到幫助。”

對于涉及特定神經(jīng)元組的損傷或功能障礙疾病來說，解讀大腦如何工作，器官內(nèi)的各個(gè)部分之間如何通信及控制行為，是開發(fā)治療方法的關(guān)鍵。創(chuàng)傷性腦損傷、帕金森疾病、肌張力障礙和外周麻痹都屬于這一類

Pralle團(tuán)隊(duì)報(bào)告的進(jìn)展也可以幫助科學(xué)家尋求方法，直接通過大腦刺激治療多種疾病，例如抑郁、癲癇。

研究是在小鼠身上進(jìn)行的，研究發(fā)表在8月15日的《eLife》上。磁性熱刺激是使用磁性納米粒子刺激神經(jīng)元，結(jié)合溫度敏感的離子通道。當(dāng)納米粒子通過外加磁場被加熱，大腦細(xì)胞放電使得離子通道打開。

靶向高度特異性大腦區(qū)域

綠色區(qū)域?yàn)榧y狀體中被靶向的細(xì)胞。

在小鼠中，Pralle的團(tuán)隊(duì)成功激活了大腦的三個(gè)區(qū)域，誘發(fā)特定的運(yùn)動(dòng)功能。

刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的細(xì)胞使得小鼠跑動(dòng)，而刺激紋狀體的細(xì)胞使得小鼠轉(zhuǎn)圈。當(dāng)科學(xué)家激活大腦深度區(qū)域時(shí)，小鼠的行動(dòng)就被凍結(jié)，無法移動(dòng)它們的四肢。

“通過我們的方法，我們可以靶向非常小的一組細(xì)胞，大概是一個(gè)100微米左右的區(qū)域，像人類一根頭發(fā)那樣的寬度，”Pralle說。

磁性熱刺激是如何起作用的?

磁性熱刺激可以使得研究者使用加熱磁性納米粒子激活大腦內(nèi)單個(gè)的神經(jīng)元。

它是如何起作用的呢?首先，科學(xué)家們使用基因工程誘導(dǎo)一個(gè)特定的DNA鏈靶向神經(jīng)元，使得這些細(xì)胞能夠產(chǎn)生熱激活的離子通道。然后，研究人員注射特制的磁性納米粒子到大腦內(nèi)同一區(qū)域。這些納米粒子會(huì)鎖定到目標(biāo)神經(jīng)元的表面上，形成像洋蔥皮一樣的薄覆蓋層。

研究人員在這項(xiàng)研究中使用的納米粒子具有這樣的結(jié)構(gòu)，錳鐵復(fù)合殼體包圍著鈷鐵復(fù)合磁芯。

當(dāng)一個(gè)外加的交變磁場應(yīng)用于大腦，它使得磁性納米粒子快速翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了加熱靶向細(xì)胞的熱量。這迫使溫度敏感的離子通道打開，刺激神經(jīng)元放電。

超越其他方法，如光遺傳學(xué)

Pralle十年來致力于推進(jìn)磁熱刺激。他最初證明了該技術(shù)在培養(yǎng)皿中有激活神經(jīng)元的效果，然后用來控制一種微小線蟲的行為。

Pralle表示，磁性熱刺激具有一些超越其他深層腦刺激方法的優(yōu)點(diǎn)。

廣為人知的技術(shù)之一——光遺傳學(xué)，使用光替代磁性加熱激活細(xì)胞。但是光遺傳學(xué)通常需要在大腦中植入微小的光纖電纜，而磁性熱刺激相對來說，可以遠(yuǎn)程操作，侵入性更小，Pralle說。他補(bǔ)充道，甚至于在小鼠的大腦經(jīng)受數(shù)次刺激之后，靶向的神經(jīng)元依然沒有損傷的跡象。

研究的下一步是使用磁性熱刺激激活和靜默小鼠大腦的不同區(qū)域，在同一時(shí)間進(jìn)行。Pralle正與麻省理工學(xué)院的研究人員Polina Anikeeva博士和哈佛醫(yī)學(xué)院合作，共同致力于這個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)。我們期待這種微創(chuàng)的方法能夠更好的精準(zhǔn)控制大腦的活動(dòng)，為多種大腦相關(guān)疾病的治療帶來希望。