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“入侵”大脑新工具出现!科学家成功利用磁场实现对小鼠大脑控制
发布时间:2017-09-04 07:49 来源:DeepTech深科技

人类的大脑被称为“三磅的宇宙”。想象一下,如果有人未经你的同意,不动声色地就能远程控制你的大脑,迫使这台中央处理器官向你的肌肉发送信息,这会是何种情形?

这可能会让你想起一部名叫《宿主》的电影,在这部电影中,一种外星生物通过在人类神经系统中寄生的方式,成功入侵人类的大脑,控制并取代人类的心智。

而在现实生活中,“入侵”大脑的工具主要有以下三种:电、药物以及光线现在,科学家们又发现了一样可以用来实现神经调控的工具,而且这个工具在我们生活中无处不在,那就是磁场。

近日,美国布法罗大学Arnd Pralle研究团队成功利用磁热刺激技术直接操控小鼠的大脑,并且第一次实现控制动物的四肢运动,让其跑步、旋转和失去运动能力。
 


该团队还表示,磁热刺激技术最终有望用以治疗人类的脑部疾病或精神疾病。论文发表在《Elife》上。

一直以来,神经科学家们在寻找更好的、非损伤性的神经调控方法。一方面,神经调控技术能够帮助人们更好地探索大脑的秘密,另一方面,这些技术还有望用于治疗部分精神疾病。而现有的神经调控技术,如光遗传学和电刺激,都具有损伤性, 因为这需要在动物大脑里植入光纤或者金属电极。以植入电极为例,其创伤性比较大,还有感染和出血的风险,副作用强,并且没有特异性。因此,这次的发现对他们来说无疑是一个好消息。
 



图 | 被植入磁性纳米粒子的小白鼠脑部


在实验过程中,第一步就是通过基因工程改造Pralle团队将含有基因片段和一些辅助基因元件的病毒注入到小鼠的脑中,使这些遗传物质可以与小鼠脑细胞或神经元的DNA链相结合。这些外部基因能够让小鼠大脑的神经元细胞对高温更加敏感,即让特定神经元表达热激活的离子通道。

随后,他们将特制的磁性纳米颗粒附着到特定神经元上,这一步对通过磁场远程控制生物体大脑来说非常关键。当研究人员用交变磁场信号刺激生物体的大脑时,被植入的磁性纳米粒子因磁场的作用而快速旋转,产生加热靶细胞所需的热量,导致神经元响应,正离子通道被打开,刺激神经元放电,从而实现对动物运动行为的控制。

在这项研究中,Pralle的团队成功激活了小鼠大脑中不同的三个特定区域:刺激运动皮层的细胞,小鼠能够跑得更快;刺激纹状细胞,小鼠可以转圈;而当科学家们激活大脑中一个更深处的区域时,小鼠四肢僵住不动。

其实,在此次试验之前,光遗传学(光刺激神经元)、化学遗传学(药物刺激神经元)来刺激诱导动物发生相同的行为。

但上述两种方法都有其不足之处。虽然光遗传学可以靶向特定神经元,但是,通过光遗传学技术控制动物运动往往需要将动物拴在有光的地方,只有这样其神经元才能响应,另外,正如前文提到的,光遗传学通常需要在动物大脑中植入微小的光纤电缆,这就难免对神经元造成损伤。而化学遗传学也有其短板,虽然这种方法可以调控研究动物的自由运动,但是,药物反应相对来说比较慢,反应需要花费的时间也就更长。
 


这样看来,在深层脑刺激方法上,磁热遗传技术具有比较明显的优势:它使用磁力和热而非光来激活细胞,可以实现远程操作;该技术是非入侵式的,实验表明,即使在小鼠的大脑被刺激了几次之后,目标神经元也没有出现损伤的迹象,并且其神经调控响应速度也比较快。

然而,这样一个技术似乎还具有争议。
 

图丨Arnd Pralle


Pralle团队的工作已经表明,注入到小鼠脑中的磁性纳米颗粒会附着在神经元的细胞膜上,而不是扩散到周围的液体中,最终,加热的范围仅限在10-1至10-2 nm级范围。对此,加州理工大学的生物工程师Markus Meister说:“从物理学角度来说,这不符合热力学的基本定律(热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体)”。他认为,按照热力学基本定律,热量应该传递到周围的水溶液,最终达到的不会是一个局部加热的效果。Meister说:“虽然这一切看起来都很真实,但是其背后的机制还有待考证”。

但是,Pralle坚称他们所提出的技术与实际的现象相吻合,团队的确成功通过磁场加热某一范围神经元细胞并完成动物行为动作的控制。对于这种现象为何会发生,他们也无法解释。

 

图丨神经冲动传导示意图


关注到这一现象的还有包括麻省理工学院的Polina Anikeeva博士在内的几位理论学家和实验家,他们一直致力于测试一些模型来解释该现象。他们成功在水中对金纳米颗粒进行激光加热,并得到了类似的影响。

Anikeeva 认为, Pralle的最新实验没有任何争议,因为Meister所说的定律是不适用于纳米级颗粒的热传递的。

接下来,Pralle计划与Anikeeva开展合作,他们的下一步是利用磁热刺激技术实现对小鼠大脑多个区域的同时调控,希望能够对动物运动行为进行更加全面多次的控制。在过去的10多年,Pralle就持续地在进行磁热刺激的研究。在这次实验之前,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也坚信,只要他们敢想就一定能克服重重的技术障碍。
 


最后,这项技术也将希望运用到人体医学上。科学家们希望更加全面地了解大脑神经的布线,以及不同的神经可以控制哪些不同运动行为。希望通过磁热遗传学技术实现人造眼睛、耳朵的发展,以及瘫痪、创伤性脑损伤、帕金森病和抑郁症等疾病的治疗。

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