一种不断扩展和发展的技术工具包，用于有针对性地刺激清醒和行为自由的动物，能帮助科学家努力解开神经系统的工作原理。这些技术通常具有相同的基本方法，将基因变化引入模型生物体中的目标神经元组，使其对可控应用的刺激敏感，例如光、热、设计药物或磁场。每种技术都有一系列明显的优点和缺点，人们对使用磁场的兴趣主要是由于采用不受组织阻碍且可以轻松无害地到达目标神经元的即时和不可见刺激的吸引力。合成磁性纳米粒子表现出足够大的磁矩，可以与施加的磁场进行稳健的相互作用，当直接注射到目标部位时，它提供了一种无线控制的方法。在以千赫到兆赫的频率交替出现的磁场的存在下，这些纳米颗粒共同散发的热量已被证明会提高周围的温度。如果附近的神经元经过基因改造以表达热敏通道蛋白，则可以触发目标神经活动，这种方法通常被称为“磁热刺激”，或称为“磁遗传学”。然而，热磁遗传学的体内响应时间目前为数十秒，这阻碍了神经活动的精确时间调制。此外，磁遗传学尚未实现对不同神经元组的体内多重刺激。鉴于此，莱斯大学Jacob T. Robinson等人通过将磁性纳米粒子与速率敏感的热感受器(TRPA1-A) 相结合，可在果蝇中实现亚秒级响应。即，在交变磁场中消散的热量会增加果蝇的内部温度，从而触发对温度变化率敏感的通道蛋白的打开。成果发表在Nature Materials上。
1）首先，通过表达TRPA1-A（一种对温度变化率作出反应而不需要达到阈值温度的通道蛋白），它们可以引发对磁刺激的更快速的行为反应。观察翅膀角度的变化作为快速的行为读数，显示了数百毫秒内对磁刺激的响应。2）其次，本文首次展示了多通道磁热控制清醒、自由行为的动物。
图|通过向转基因果蝇注射磁性纳米粒子的浓缩悬浮液，可以快速控制翅膀姿势
具有显著不同矫磁力的磁性材料通过具有不同幅度和频率的交变磁场进行最佳加热。通过使用40 nm氧化铁团簇作为低矫磁力材料和15 nm共掺杂氧化铁纳米颗粒作为高矫磁力材料，适当选择交变磁场条件可以选择性加热注入不同材料的蝇类亚群，即使它们暴露在相同的交变场中。振幅为 80 mT 在 49.9 kHz 下交替的磁刺激选择性地加热具有高矫磁力的 15 nm Co掺杂的氧化铁纳米颗粒，而具有较低矫磁力的未掺杂40 nm氧化铁纳米团簇通过相对较低幅度和较高频率（12 mT，555 kHz）的磁刺激选择性地加热。用这些不同的磁性材料注射单独的果蝇可以独立驱动它们的行为反应。这些结果使磁遗传学更接近光遗传学可能实现的时间分辨率和多路刺激，同时保持了只有通过磁控制才能实现的最小侵入性和深层组织刺激。图|具有不同矫磁力和选择性加热的磁性纳米粒子可实现多通道行为控制近年来，用磁刺激控制神经元活动的说法一直是争议和激烈辩论的来源，尤其是在基于基因表达的铁存储蛋白铁蛋白的机制已被证实的情况下。该研究团队转而使用合成磁性材料的浓缩悬浮液，并认为分布在整个苍蝇上约1°C的温和整体加热可以归因于刺激产生的，这应该有助于使潜在机制更可信，即使对高度怀疑的读者来说也是如此。与之前的报告相比，亚秒磁遗传学是一项引人注目的成就，与最近描述的机械转导方法相比，后者也表现出几秒钟的延迟。研究人员对多通道行为反应的演示为有趣的扩展铺平了道路，例如控制异种群的亚群，或通过单独的注射点选择性控制大型生物体中的独立神经回路。尽管有希望，但该研究团队也小心地指出，将他们的方法转化为哺乳动物模式生物将具有挑战性。这部分是因为此处使用的特定通道蛋白不适合较高的体温，尽管最终可能会识别或设计在 37 °C 下执行类似功能的通道蛋白。此外，从简化必要的磁性仪器要求的角度来看，果蝇的小尺寸使其成为作为模式生物的特别方便的选择。虽然将类似的仪器扩大到自由行为啮齿动物所需的工作量当然是可能的，但在权衡大型动物的目标刺激替代方案时，增加的难度、功率和费用将是需要考虑的重要因素。减少引发行为反应所需的刺激时间也可以作为实现脉冲或间歇产生交变场的一步，这是一种可以降低磁刺激复杂性的策略。本文所描述的技术显然需要克服主要障碍，才能真正与更广泛的光学神经刺激方法竞争。尽管如此，他们对果蝇的惊人结果表明，磁遗传学和更普遍的基于材料的神经刺激技术是一个仍有可能进一步发展和进步的领域。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).
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01281-7
2. Christiansen, M.G., Schuerle, S. Multi-channel control of fruit fly behaviour.
Nat. Mater. (2022).https://doi.org/10.1038/s41563-022-01305-2
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