Znanstvenici koriste magnetizam kako bi aktivirali sitnu grupu stanica u mozgu, i na taj način izazvali tjelesne pokrete poput trčanja, rotiranja i gubitka kontrole nad udovima – postignuće koje bi moglo dovesti do napretka u proučavanju i tretiranju neuroloških bolesti.
Tehnika koju su znanstvenici razvili naziva se magneto-termalna stimulacija. Ona pruža neuroznanstvenicima moćan novi alat: udaljeni, minimalno invazivan način za poticanje aktivnosti duboko unutar mozga, paleći i gaseći određene stanice kako bi proučili na koji način ove promjene utječu na fiziologiju.
“Mnogo se truda i rada ulaže u mapiranje neuronskih krugova koji kontroliraju ponašanje i emocije”, rekao je voditelj istraživanja Arnd Pralle, doktor znanosti i profesor fizike sa Sveučilišta Buffalo. “Kako radi računalo našega uma? Tehnika koju smo razvili mogla bi nam uvelike pomoći u ovim naporima.”
Razumijevanje načina na koji funkcionira mozak – kako različiti dijelovi organa komuniciraju jedan s drugim i kontroliraju ponašanje – ključ je za razvoj terapija za bolesti koje uključuju ozljedu ili oštećenje određenog seta neurona. Traumatične ozljede mozga, Parkinsonova bolest, distonija i periferna paraliza upadaju u ovu kategorije.
Napredak koji je objavio tim znastvenika pod vodstvom dr. Prallea mogao bi biti relevantan i za znanstvenike koji žele tretirati oboljenja poput depresije i epilepsije izravno kroz stimulaciju mozga.
Studija, koja je obavljena na miševima, objavljena je prije tjedan dana u časopisu eLife.
Magneto-termalna stimulacija uključuje korištenje magnetskih nanočestica pri stimualciji neurona koji su opremljeni ionskim kanalima osjetljivim na temperaturu. Moždane stanice se pale kad se nanočestice zagriju vanjskim magnetskim poljem, uzrokujući otvaranje kanala.
Ciljanje vrlo specifičnih regija mozga
Kod miševa, Pralleov tim uspješno je aktivirao tri različite regije mozga i inducirao određene motoričke funkcije.
Stimuliranje stanica u motoričkom korteksu nagnalo je miševe na trčanje, a stimulacija stanica u striatumu uzrokovala je okretanje miševa. Kada su znanstvenici aktivirali dublju moždanu regiju, miševi su se smrznuli i nisu mogli pomicati udove.
“Korištenje ove metode omogućava ciljanje vrlo male grupe stanica, područje veličine oko 100 mikrometara, što je jednako širini jedne vlasi ljudske kose”, rekao je Pralle.
Kako magneto-termalna stimulacija funkcionira
Magneto-termalna stimulacija omougućuje znanstvenicima da koriste zagrijane, magnetske nanočestice pri aktivaciji pojedinačnih neurona u mozgu.
Evo kako to funkcionira: Prvo, znanstvenici se koriste genetičkim inžinjeringom kako bi uveli poseban lanac DNK u ciljane neurone, što uzrokuje da ove stanice proizvedu ionski kanal koji se aktivira toplinom. Zatim se u isto područje mozga ubrizgaju posebno dizajnirane magnetske nanočestice koje se pričvste za površinu ciljanih neurona, formirajući tanak pokrovni sloj poput sloja luka.
Kada se na mozak primjenjuje izmjenično magnetsko polje, magnetizacija čestica se pokreće silovitom brzinom i generira toplinu koja zagrijava ciljane stanice. Ovo otvara ionske kanale, što potiče neurone na paljenje.
Čestice koje su znanstvenici koristili u studiji sastoje se od kobalt-feritne jezgre okružene omotačem od mangana-ferita.
Prednost pred drugim metodama poput optogenetike
Pralle radi na unaprjeđenju magneto-termalne stimulacije duže od desetljeća. Već otprije je poznata njegova demonstracija korisnosti ove tehnike pri aktiviranju neurona u Petrijevoj zdjelici, a zatim u kontroliranju ponašanja C. elegans, sićušnog oblića.
Pralle tvrdi da magneto-termalna stimulacija ima neke prednosti u odnosu na druge metode stimuliranja dubokih područja mozga.
Jedna od najpoznatijih tehnika, optogenetika, koristi se svjetlom umjesto magnetizmom i toplinom pri aktivaciji stanica. Ali optogenetička tehnika obično zahtijeva usađivanje sitnih kablova od optičkih vlakana u mozak, dok se magneto-termalna stimulacija radi na daljinu, i manje je invazivna, kaže Pralle. Dodaje i da naciljani neuroni nisu pokazivali znakove oštećenja čak ni kad su u mozgovima miševa bili stimulirani više puta.
Idući korak u istraživanju bit će korištenje magneto-termalne stimulacije u aktiviranju – i utišavanju – višestrukih regija mišjeg mozga istovremeno. Pralle na ovome projektu surađuje sa znanstvenicom Polinom Anikeevom s MIT-a i Medicinskom školom na Hardvardu. Tim je dobio 3,5 milijuna dolara potpore od strane nacionalnih instituta za zdravlje kako bi nastavili s istraživanjima.
Studiju objavljena u časopisu eLife financirali su Nacionalni institut za mentalno zdravlje i HFSP.
