Kan magnetisme hjælpe os med at kontrollere hjernen, på afstand?

University at Buffalo forskere har brugt magnetiske nanopartikler til at fjernstyre ionkanaler, neuroner i cellekultur og endda bevægelsen af ​​en lillebitte orm.

Forskere ved universitetet i Buffalo har modtaget 1,3 millioner dollars fra National Institute of Mental Health (NIMH) for at teste, hvor lille, magnetiske partikler kan bruges til at fjernstyre neuroner i hjernen på mus.

Hvis arbejdet lykkes, forskerholdet vil have givet neuroforskere en kraftfuld, nyt værktøj:en ikke-invasiv teknik til at udløse aktivitet dybt inde i hjernen.

Denne slags fjernbetjening, neuro-stimulering ville hjælpe forskere med at lære mere om, hvordan hjernens komplicerede neuronale kredsløb styrer adfærd, fører i sidste ende til bedre forståelse og muligvis behandling af lidelser, der involverer skade eller fejlfunktion af specifikke sæt neuroner. Traumatiske hjerneskader, Parkinsons sygdom, dystoni og perifer lammelse falder alle ind under denne kategori.

"Vores tidlige forståelse af hjernens funktionelle områder kom fra patienter, der viste ændringer i deres adfærd efter at have mistet en del af deres hjerne på grund af traumatisk hjerneskade eller en tumor, sagde Arnd Pralle, adjunkten i fysik, der leder det nye UB-studie. "Evnen til nu reversibelt at slukke eller tænde for individuelle celler og observere dyrets adfærd bringer os endelig til niveauet for det faktiske neurologiske kredsløb, hvilket er ekstremt spændende."

Den nye NIMH-finansiering, som kommer fra National Institute of Healths program for Ekstraordinære, Ukonventionel forskning muliggør videnacceleration (EUREKA), er et vidnesbyrd om løftet om Pralles arbejde.

Han og hans kolleger har allerede haft held med at bruge deres fjernbetjeningsteknik til at åbne calciumionkanaler, aktivere neuroner i cellekultur, og endda manipulere adfærden hos C. elegans, en lille orm.

Tilgangen involverer brugen af ​​opvarmet, magnetiske nanopartikler i forbindelse med noget smart genteknologi.

Sådan fungerer det i hjernen:For det første, forskere anvender harmløse vira til at bære en særlig DNA-streng ind i hjernen. Det nye genetiske materiale inducerer specifikke, målrettede celler til at bygge en speciel ionkanal indeholdende en receptor, som magnetiske nanopartikler vil genkende.

Når nanopartiklerne låser sig fast på disse ionkanaler, forskere anvender et vekslende magnetfelt på hjernen, der får partiklernes magnetisering til at vende hurtigt, generere varme. Denne varme stimulerer så ionkanalerne til at åbne sig, depolariserer neuronerne og får dem til at skyde.

Med den nye NIMH-finansiering, Pralles forskerhold planlægger at teste denne metode på neuroner i lugtepæren, som ligger i den forreste del af hjernen og styrer hvordan dyr opfatter lugte.

Specifikt, forskerne vil se, om de kan bruge nanopartiklernes lokaliserede opvarmning til at aktivere specifikke neuroner i lugtepæren, får musene til at "lugte" en bestemt lugt, selv når der ikke er nogen egentlige kemikalier til stede.

Mens neurovidenskabsmænd søger efter bedre måder at undersøge hjernen på, Pralles metode er særligt attraktiv, fordi magnetiske felter er i stand til at trænge igennem væv uden at skade dem. Andre metoder til fjernstyring af hjerneceller er mere invasive, herunder en state-of-the-art teknik, der involverer brugen af ​​en implanteret optisk fiber til at stimulere lysaktiverede ionkanaler.

Pralles tidligere arbejde med magnetiske nanopartikler blev støttet af UB 2020 Interdisciplinary Research Development Fund, som giver startpenge til projekter med potentiale til at modtage større, eksterne tilskud.

Denne startfinansiering gjorde det muligt for Pralle og hans samarbejdspartnere at gennemføre en række undersøgelser, herunder en, hvor de fastgjorde magnetiske nanopartikler til celler nær C. elegans mund.

Da forskerne brugte deres fjernteknik til at opvarme nanopartiklerne, de fleste af ormene begyndte refleksivt at kravle baglæns i et forsøg på at undslippe varmen, da temperaturen nåede 34 grader Celsius.

Universitetet er i fuld overensstemmelse med mandater fra statslige og føderale reguleringsorganer vedrørende human brug og pleje af forskningsdyr.