磁遗传学研究

磁遗传学和电磁控制是一种使用磁场激活细胞的研究方法。借助磁遗传学,研究人员已经找到了一种利用电磁体控制神经元的方法。

非侵入式 vs 时间精确

光遗传学和化学遗传学各有利弊。 例如,光遗传学在时间上极为精确,但要使光进入大脑(此技术需要),就需要植入物和导线。 

化学遗传学使用DREADD技术(由药物激活的特定的感受器),使神经元对特定药物样分子的激活敏感。可以将化学品放在动物的饮用水中,这是一种非侵入性的方法,但是它在时间上并不像某些实验所要求的那样精确。 此外,重复激活意味着重复给药,实验效率不高。 

借助磁遗传学,研究人员拥有了一种非侵入性的方法,该方法似乎兼具两者的优点:这项技术是非侵入性的,但在时间上却很精确。 它对于大脑深部组织中也有效,可同时在多个区域工作,适合长期研究,并且相对安全。

临床应用

磁遗传学也可应用于某些临床研究,例如:

  • 案例 #1: 创建“理想工具”

    与光遗传学和化学遗传学研究类似,神经元细胞对磁性刺激敏感。研究人员将非选择性阳离子通道TRPV4与顺磁性蛋白铁蛋白融合在一起,创建了“ Magneto”工具,该工具可以通过单个病毒载体传递到感兴趣的大脑区域。

    2016年3月,弗吉尼亚大学的Michael Wheeler和他的同事报告了他们在自然神经科学中使用电磁控制的发现。他们在斑马鱼和小鼠中证明了在体外和体内磁遗传学的有效性。首席生物学教授Ali Deniz Güler说,他们可能发现了 控制神经回路的“理想工具”。

    在进一步的实验中,他们开发了Magneto2.0来控制DR1(多巴胺受体1),同时将小鼠暴露于磁化室。研究人员能够记录这些神经元的放电速度增加,从而证实了控制深部脑组织的可能性。然后,在实时的位置偏好测试中,小鼠更喜欢磁化臂,因为磁体充分激活了多巴胺神经元,可以作为对小鼠的奖励。行为测量是通过 动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)进行视频跟踪的。

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  • 案例 #2: 控制进食行为

    出于多种原因,研究人员进行了许多研究来研究进食行为,体重和血糖水平。下丘脑腹内侧核一直是许多这些研究的重点,因为众所周知它可以调节进食行为。 为了了解动态平衡紊乱,血糖水平,进食行为障碍等的神经学途径,并探索治疗选择,电磁控制或磁遗传学是十分理想的研究方法。

    同样在2016年3月, 纽约洛克菲勒大学的Sarah Stanley和她的同事们发表了他们的发现结果,使用电磁学研究了大脑如何控制小鼠体内的葡萄糖稳态和进食行为。在该实验中,研究人员将TRPV1与铁蛋白融合。 利用电磁场,并瞄准腹侧下丘脑,使得研究人员能够远程控制小鼠的进食行为的开始和停止。

完整的行为和设备控制

“Magneto”等新工具的创建极大地推动了科学探索。动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)可以对行为进行精准的评估。 

借助该系统,研究人员能够进行完整的行为实验;完全的系统集成允许研究人员根据时间和/或动物行为实时控制硬件。系统可以自动测量和评估特定行为范例,以轻松检查创新的新神经科学工具的行为影响。 


参考文献

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