一種不斷擴展和發展的技術工具包，用于有針對性地刺激清醒和行為自由的動物，能幫助科學家努力解開神經系統的工作原理。這些技術通常具有相同的基本方法，將基因變化引入模型生物體中的目標神經元組，使其對可控應用的刺激敏感，例如光、熱、設計藥物或磁場。每種技術都有一系列明顯的優點和缺點，人們對使用磁場的興趣主要是由于采用不受組織阻礙且可以輕松無害地到達目標神經元的即時和不可見刺激的吸引力。合成磁性納米粒子表現出足夠大的磁矩，可以與施加的磁場進行穩健的相互作用，當直接注射到目標部位時，它提供了一種無線控制的方法。在以千赫到兆赫的頻率交替出現的磁場的存在下，這些納米顆粒共同散發的熱量已被證明會提高周圍的溫度。如果附近的神經元經過基因改造以表達熱敏通道蛋白，則可以觸發目標神經活動，這種方法通常被稱為“磁熱刺激”，或稱為“磁遺傳學”。然而，熱磁遺傳學的體內響應時間目前為數十秒，這阻礙了神經活動的精確時間調制。此外，磁遺傳學尚未實現對不同神經元組的體內多重刺激。鑒于此，萊斯大學Jacob T. Robinson等人通過將磁性納米粒子與速率敏感的熱感受器(TRPA1-A) 相結合，可在果蠅中實現亞秒級響應。即，在交變磁場中消散的熱量會增加果蠅的內部溫度，從而觸發對溫度變化率敏感的通道蛋白的打開。成果發表在Nature Materials上。
1）首先，通過表達TRPA1-A（一種對溫度變化率作出反應而不需要達到閾值溫度的通道蛋白），它們可以引發對磁刺激的更快速的行為反應。觀察翅膀角度的變化作為快速的行為讀數，顯示了數百毫秒內對磁刺激的響應。2）其次，本文首次展示了多通道磁熱控制清醒、自由行為的動物。
圖|通過向轉基因果蠅注射磁性納米粒子的濃縮懸浮液，可以快速控制翅膀姿勢
具有顯著不同矯磁力的磁性材料通過具有不同幅度和頻率的交變磁場進行最佳加熱。通過使用40 nm氧化鐵團簇作為低矯磁力材料和15 nm共摻雜氧化鐵納米顆粒作為高矯磁力材料，適當選擇交變磁場條件可以選擇性加熱注入不同材料的蠅類亞群，即使它們暴露在相同的交變場中。振幅為 80 mT 在 49.9 kHz 下交替的磁刺激選擇性地加熱具有高矯磁力的 15 nm Co摻雜的氧化鐵納米顆粒，而具有較低矯磁力的未摻雜40 nm氧化鐵納米團簇通過相對較低幅度和較高頻率（12 mT，555 kHz）的磁刺激選擇性地加熱。用這些不同的磁性材料注射單獨的果蠅可以獨立驅動它們的行為反應。這些結果使磁遺傳學更接近光遺傳學可能實現的時間分辨率和多路刺激，同時保持了只有通過磁控制才能實現的最小侵入性和深層組織刺激。圖|具有不同矯磁力和選擇性加熱的磁性納米粒子可實現多通道行為控制近年來，用磁刺激控制神經元活動的說法一直是爭議和激烈辯論的來源，尤其是在基于基因表達的鐵存儲蛋白鐵蛋白的機制已被證實的情況下。該研究團隊轉而使用合成磁性材料的濃縮懸浮液，并認為分布在整個蒼蠅上約1°C的溫和整體加熱可以歸因于刺激產生的，這應該有助于使潛在機制更可信，即使對高度懷疑的讀者來說也是如此。與之前的報告相比，亞秒磁遺傳學是一項引人注目的成就，與最近描述的機械轉導方法相比，后者也表現出幾秒鐘的延遲。研究人員對多通道行為反應的演示為有趣的擴展鋪平了道路，例如控制異種群的亞群，或通過單獨的注射點選擇性控制大型生物體中的獨立神經回路。盡管有希望，但該研究團隊也小心地指出，將他們的方法轉化為哺乳動物模式生物將具有挑戰性。這部分是因為此處使用的特定通道蛋白不適合較高的體溫，盡管最終可能會識別或設計在 37 °C 下執行類似功能的通道蛋白。此外，從簡化必要的磁性儀器要求的角度來看，果蠅的小尺寸使其成為作為模式生物的特別方便的選擇。雖然將類似的儀器擴大到自由行為嚙齒動物所需的工作量當然是可能的，但在權衡大型動物的目標刺激替代方案時，增加的難度、功率和費用將是需要考慮的重要因素。減少引發行為反應所需的刺激時間也可以作為實現脈沖或間歇產生交變場的一步，這是一種可以降低磁刺激復雜性的策略。本文所描述的技術顯然需要克服主要障礙，才能真正與更廣泛的光學神經刺激方法競爭。盡管如此，他們對果蠅的驚人結果表明，磁遺傳學和更普遍的基于材料的神經刺激技術是一個仍有可能進一步發展和進步的領域。1.Sebesta, C., Torres Hinojosa, D., Wang, B. et al. Subsecond multichannel magnetic control of select neural circuits in freely moving flies. Nat. Mater. (2022).
//doi.org/10.1038/s41563-022-01281-7
2. Christiansen, M.G., Schuerle, S. Multi-channel control of fruit fly behaviour.
Nat. Mater. (2022).//doi.org/10.1038/s41563-022-01305-2
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