「入侵」大腦的新工具出現了！科學家成功利用磁場實現對小鼠大腦控制

人類的大腦被稱為「三磅的宇宙」。想像一下，如果有人未經你的同意，不動聲色地就能遠程控制你的大腦，迫使這台中央處理器官向你的肌肉發送信息，這會是何種情形？

這可能會讓你想起一部名叫《宿主》的電影，在這部電影中，一種外星生物通過在人類神經系統中寄生的方式，成功入侵人類的大腦，控制並取代人類的心智。

而在現實生活中，「入侵」大腦的工具主要有以下三種：電、藥物以及光線。現在，科學家們又發現了一樣可以用來實現神經調控的工具，而且這個工具在我們生活中無處不在，那就是磁場。

近日，美國布法羅大學Arnd Pralle研究團隊成功利用磁熱刺激技術直接操控小鼠的大腦，並且第一次實現控制動物的四肢運動，讓其跑步、旋轉和失去運動能力。

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該團隊還表示，磁熱刺激技術最終有望用以治療人類的腦部疾病或精神疾病。論文發表在《Elife》上。

一直以來，神經科學家們在尋找更好的、非損傷性的神經調控方法。一方面，神經調控技術能夠幫助人們更好地探索大腦的秘密，另一方面，這些技術還有望用於治療部分精神疾病。而現有的神經調控技術, 如光遺傳學和電刺激, 都具有損傷性, 因為這需要在動物大腦里植入光纖或者金屬電極。以植入電極為例，其創傷性比較大，還有感染和出血的風險，副作用強，並且沒有特異性。因此，這次的發現對他們來說無疑是一個好消息。

圖 | 被植入磁性納米粒子的小白鼠腦部

在實驗過程中，第一步就是通過基因工程改造Pralle團隊將含有基因片段和一些輔助基因元件的病毒注入到小鼠的腦中，使這些遺傳物質可以與小鼠腦細胞或神經元的DNA鏈相結合。這些外部基因能夠讓小鼠大腦的神經元細胞對高溫更加敏感，即讓特定神經元表達熱激活的離子通道。

隨後，他們將特製的磁性納米顆粒附著到特定神經元上，這一步對通過磁場遠程控制生物體大腦來說非常關鍵。當研究人員用交變磁場信號刺激生物體的大腦時，被植入的磁性納米粒子因磁場的作用而快速旋轉，產生加熱靶細胞所需的熱量，導致神經元響應，正離子通道被打開，刺激神經元放電，從而實現對動物運動行為的控制。

在這項研究中，Pralle的團隊成功激活了小鼠大腦中不同的三個特定區域：刺激運動皮層的細胞，小鼠能夠跑得更快；刺激紋狀細胞，小鼠可以轉圈；而當科學家們激活大腦中一個更深處的區域時，小鼠四肢僵住不動。

其實，在此次試驗之前，光遺傳學（光刺激神經元）、化學遺傳學（藥物刺激神經元）來刺激誘導動物發生相同的行為。

但上述兩種方法都有其不足之處。雖然光遺傳學可以靶向特定神經元，但是，通過光遺傳學技術控制動物運動往往需要將動物拴在有光的地方，只有這樣其神經元才能響應，另外，正如前文提到的，光遺傳學通常需要在動物大腦中植入微小的光纖電纜，這就難免對神經元造成損傷。而化學遺傳學也有其短板，雖然這種方法可以調控研究動物的自由運動，但是，藥物反應相對來說比較慢，反應需要花費的時間也就更長。

這樣看來，在深層腦刺激方法上，磁熱遺傳技術具有比較明顯的優勢：它使用磁力和熱而非光來激活細胞，可以實現遠程操作；該技術是非入侵式的，實驗表明，即使在小鼠的大腦被刺激了幾次之後，目標神經元也沒有出現損傷的跡象，並且其神經調控響應速度也比較快。

然而，這樣一個技術似乎還具有爭議。

圖丨Arnd Pralle

Pralle團隊的工作已經表明，注入到小鼠腦中的磁性納米顆粒會附著在神經元的細胞膜上，而不是擴散到周圍的液體中，最終，加熱的範圍僅限在10-1至10-2 nm級範圍。對此，加州理工大學的生物工程師Markus Meister說：「從物理學角度來說，這不符合熱力學的基本定律（熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體）」。他認為，按照熱力學基本定律，熱量應該傳遞到周圍的水溶液，最終達到的不會是一個局部加熱的效果。Meister說：「雖然這一切看起來都很真實，但是其背後的機制還有待考證」。

但是，Pralle堅稱他們所提出的技術與實際的現象相吻合，團隊的確成功通過磁場加熱某一範圍神經元細胞並完成動物行為動作的控制。對於這種現象為何會發生，他們也無法解釋。

圖丨神經衝動傳導示意圖

關注到這一現象的還有包括麻省理工學院的Polina Anikeeva博士在內的幾位理論學家和實驗家，他們一直致力於測試一些模型來解釋該現象。他們成功在水中對金納米顆粒進行激光加熱，並得到了類似的影響。

Anikeeva 認為， Pralle的最新實驗沒有任何爭議，因為Meister所說的定律是不適用於納米級顆粒的熱傳遞的。

接下來，Pralle計劃與Anikeeva開展合作，他們的下一步是利用磁熱刺激技術實現對小鼠大腦多個區域的同時調控，希望能夠對動物運動行為進行更加全面多次的控制。在過去的10多年，Pralle就持續地在進行磁熱刺激的研究。在這次實驗之前，他曾證明，該技術在激活培養皿神經元中的作用，而且還控制了線蟲行為。Pralle也堅信，只要他們敢想就一定能克服重重的技術障礙。

最後，這項技術也將希望運用到人體醫學上。科學家們希望更加全面地了解大腦神經的布線，以及不同的神經可以控制哪些不同運動行為。希望通過磁熱遺傳學技術實現人造眼睛、耳朵的發展，以及癱瘓、創傷性腦損傷、帕金森病和抑鬱症等疾病的治療。

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