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。
植入磁性奈米粒子的小白鼠腦部
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裡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訊息。
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；而當科學家們啟用大腦中一個更深處的區域時，小鼠四肢僵住不動。
實驗過程，第一步就是透過基因工程改造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啟用的離子通道。
隨後，他們將特製的磁性奈米顆粒附著到特定神經元上，這一步對透過磁場遠端控制生物體大腦來說非常關鍵。當研究人員用交變磁場訊號刺激生物體的大腦時，被植入的磁性奈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，正離子通道被開啟，刺激神經元放電，從而實現對動物運動行為的控制。
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啟用細胞，可以實現遠端操作；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。
注入到小鼠腦中的磁性奈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區域性加熱的效果。
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。
植入磁性奈米粒子的小白鼠腦部
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裡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訊息。
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；而當科學家們啟用大腦中一個更深處的區域時，小鼠四肢僵住不動。
實驗過程，第一步就是透過基因工程改造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啟用的離子通道。
隨後，他們將特製的磁性奈米顆粒附著到特定神經元上，這一步對透過磁場遠端控制生物體大腦來說非常關鍵。當研究人員用交變磁場訊號刺激生物體的大腦時，被植入的磁性奈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，正離子通道被開啟，刺激神經元放電，從而實現對動物運動行為的控制。
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啟用細胞，可以實現遠端操作；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。
注入到小鼠腦中的磁性奈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區域性加熱的效果。