Joint European Torus (JET) ringförmig im Calham Science Center Magnetkammer (Tokamak).　Foto: AFP / Getty Images Eine neue Methode von „Badass“ verwendet magnetisierte Proteine, um Gehirnzellen schnell, reversibel und nicht-invasiv zu aktivieren. US-Forscher haben Gentechnik entwickelt. Wir haben eine neue Methode entwickelt, um Gehirnschaltkreise im Zusammenhang mit komplexem Tierverhalten zu steuern durch die Schaffung magnetisierter Proteine, die bestimmte Gruppen von Neuronen aus der Ferne aktivieren . Zu verstehen, wie sich das Gehirn verhält, ist eines der ultimativen Ziele der Neurowissenschaften und eine der schwierigsten Fragen. In den letzten Jahren haben Forscher

Wir haben viele Methoden entwickelt, mit denen wir bestimmte Gruppen von Neuronen fernsteuern und untersuchen können, wie neuronale Schaltkreise funktionieren .

Die mächtigste davon ist eine Methode namens Optogenetik . Auf diese Weise können Forscher einen Laserlichtimpuls verwenden, um eine Population verwandter Neuronen im Millisekundenbereich ein- oder auszuschalten . Eine andere kürzlich entwickelte Methode namens Chemogenetik verwendet gentechnisch veränderte Proteine, die durch Designer-Medikamente aktiviert werden und auf bestimmte Zelltypen abzielen können .

Obwohl leistungsstark, haben beide Methoden Nachteile. Optogenetik ist invasiv, erfordert das Einführen von optischen Fasern, die Lichtimpulse an das Gehirn liefern, und schränkt das Ausmaß, in dem Licht dichtes Gehirngewebe durchdringt, stark ein. Chemogene Ansätze überwinden diese beiden Einschränkungen, lösen aber normalerweise biochemische Reaktionen aus, die Sekunden dauern, um Nervenzellen zu aktivieren. Die neue Technologie , die im Labor von Ali Güler

an der University of Virginia in Charlottesville entwickelt und in einer Pre-Online-Veröffentlichung der Zeitschrift Nature Neuroscience beschrieben wurde,Es ist nicht nur nicht-invasiv, sondern kann Neuronen auch schnell und reversibel aktivieren. Einige frühe Studien haben gezeigt, dass Nervenzellproteine

, die durch Wärme und mechanischen Druck aktiviert werden anorganischen paramagnetischen PartikelnoderFerritinnamensEisenspeicherproteinenindemempfindlichMagnetfelderundRadiowellen, für . Diese Methoden stellen bedeutende Fortschritte dar, wie sie beispielsweise bereits zur Regulierung des Blutzuckerspiegels bei Mäusen verwendet werden, umfassen jedoch mehrere Komponenten, die einzeln eingeführt werden müssen.

Die neue Technologie basiert auf dieser frühen Studie und basiert auf einem Protein namens TRPV4, das sowohl temperatur- als auch dehnungsempfindlich ist . Diese Reize öffnen ihre zentralen Poren, sodass Strom durch die Zellmembran fließen kann. Dies verursacht Nervenimpulse, die zum Rückenmark und dann zum Gehirn wandern.

Guller und seine Kollegen spekulieren, dass magnetische Drehmoment- (oder Rotations-) Kräfte TRPV4 aktivieren könnten, indem sie die zentrale Pore öffnen, und Gentechnik wird verwendet, um das Protein Ferritin paramagnetisch zu machen.Das Protein, das eine kurze DNA-Sequenz aufweist, die mit der Region verschmilzt und signalisiert ihm den Transport zur Zelle, wird zur Nervenzellmembran geleitet und in diese eingeführt.

Als sie dieses Genkonstrukt in wachsende menschliche fötale Nierenzellen in Petrischalen einführten, synthetisierten die Zellen ein „Magnet“-Protein und fügten es in die Membran ein. Die Anwendung eines Magnetfelds aktivierte das manipulierte TRPV1-Protein, wie durch den vorübergehenden Anstieg der intrazellulären Calciumionenkonzentration nachgewiesen wurde, der durch Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen wurde.

Die Forscher fügten dann die Magneto-DNA-Sequenz in das virale Genom ein, zusammen mit einem Gen, das für grün fluoreszierendes Protein kodiert, und einer regulatorischen DNA-Sequenz, die Konstrukte nur in bestimmten Arten von Neuronen exprimiert. Das Virus wurde dann in das Gehirn der Maus injiziert, zielte auf den entorhinalen Cortex ab und sezierte das Gehirn des Tieres, um Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz aussendeten. Als nächstes zeigten wir mithilfe von Mikroelektroden, dass das Anlegen eines Magnetfelds an eine Gehirnscheibe den Magneto aktiviert und die Zellen dazu veranlasst, Nervenimpulse zu erzeugen.

Um festzustellen, ob Erik Lensherr verwendet werden kann, um die neuronale Aktivität lebender Tiere zu manipulieren, injizieren sie Erik Lensherr in Zebrafischlarven, wobei sie auf Rumpf- und Schwanzneuronen abzielen, die normalerweise die Fluchtreaktion steuern. Als nächstes fanden sie heraus, dass Zebrafischlarven in ein speziell angefertigtes magnetisiertes Aquarium gesetzt und einem Magnetfeld ausgesetzt wurden, um einen Wickelvorgang zu induzieren, der dem ähnlich war, der während der Fluchtreaktion auftritt. (An diesem Experiment waren insgesamt neun Zebrafischlarven beteiligt, und die anschließende Analyse ergab, dass jede Larve ungefähr fünf Neuronen enthielt, die Erik Lensherr exprimierten.

) Im letzten Experiment injizierten die Forscher Magnetit in das Striatum einer sich frei bewegenden Maus, ein tiefes Gehirn Struktur, die Dopamin-produzierende Neuronen enthält, die an Belohnung und Motivation beteiligt sind, und dann wurden die Tiere magnetisiert und nicht magnetisiert.Mäuse, die Erik Lensherr exprimierten, verbrachten viel mehr Zeit in der magnetisierten Region als Mäuse, die dies nicht taten. Dies liegt daran, dass die Aktivierung des Proteins die striatalen Neuronen, die es exprimieren, belohnt, um Dopamin und die Mäuse in diesen Bereichen freizusetzen. Dies zeigt, dass Magneto das Feuern von Neuronen tief im Gehirn fernsteuern und sogar komplexe Verhaltensweisen steuern kann . Steve Ramirez , ein Neurowissenschaftler an der Harvard University

, der Optogenetik einsetzt , um das Gedächtnis des Mausgehirns zu manipulieren , sagt, die Studie sei „ schlecht “ .

„Frühere Versuche (mit Magneten zur Steuerung der neuronalen Aktivität) erforderten mehrere Komponenten, damit das System funktioniert. Injektion von Magnetpartikeln, Injektion von Viren, die wärmeempfindliche Kanäle exprimieren, [Oder] um das Tier am Kopf zu fixieren, damit die Spule es kann Veränderung hervorrufen. Magnetisch“, erklärt er. „Das Problem bei der Verwendung eines Mehrkomponentensystems besteht darin, dass es so viel Platz gibt, um einzelne Teile zu zerlegen.“

„Dieses System ist ein einziger eleganter Virus, der überall in das Gehirn injiziert werden kann, z. B. Glocken und Pfeifen.“ Bewegen Sie den Virus um es zerbrechlich zu machen“, fügt er hinzu, „diese Aktionsgeräte wurden so konstruiert, dass sie an den richtigen Stellen Magnete enthalten, damit sich die Tiere frei bewegen können.“ ..

Daher ist die „magnetische Genetik“ eine wichtige Ergänzung des Werkzeugkastens der Neurowissenschaftler und wird zweifellos weiterentwickelt, um Forschern neue Wege zur Untersuchung der Gehirnentwicklung und -funktion zu bieten.

Hinweis

Wheeler, MA, et al . (2016). Genetisch gezielte magnetische Steuerung des Nervensystems. Nuss  Neurosci . , DOI: 10.1038 / nn.4265 [ Summary ]



2015 Science Bulletin (* Es ist unmöglich, es sei denn, Sie sind ein Experte mit einer enormen Menge an Erklärungen)

Magnetische Genetik: Nicht-invasive magnetische Fernaktivierung neuraler Aktivität unter Verwendung magnetischer Rezeptoren

Magnetogenetik: Nicht-invasive magnetische Fernaktivierung neuronaler Aktivität mit einem Magnetorezeptor –ScienceDirect Erfundene nicht-invasive magnetische

Genetik, die genetisches Targeting von Magnetrezeptoren mit magnetischer Fernstimulation kombiniert. Die nicht-invasive Aktivierung von Neuronen wurde durch neurale Expression des extrinsischen Magnetrezeptor- Eisen-Schwefel-Cluster- Aggregatproteins 1 (Isca1) erreicht.