University at Buffalo forskare har använt magnetiska nanopartiklar för att fjärrstyra jonkanaler, neuroner i cellkultur och till och med rörelsen av en liten mask.

Forskare vid universitetet i Buffalo har fått 1,3 miljoner dollar från National Institute of Mental Health (NIMH) för att testa hur liten, magnetiska partiklar kan användas för att fjärrstyra neuroner i hjärnan på möss.

Om arbetet är framgångsrikt, forskargruppen kommer att ha gett neuroforskare en kraftfull, nytt verktyg:en icke-invasiv teknik för att utlösa aktivitet djupt inne i hjärnan.

Den här typen av fjärrkontroll, neurostimulering skulle hjälpa forskare att lära sig mer om hur hjärnans komplicerade neuronala kretsar styr beteendet, leder så småningom till bättre förståelse och möjligen behandling av åkommor som involverar skada eller felfunktion hos specifika uppsättningar av neuroner. Traumatiska hjärnskador, Parkinsons sjukdom, dystoni och perifer förlamning faller alla i denna kategori.

"Vår tidiga förståelse om hjärnans funktionella regioner kom från patienter som visade förändringar i sitt beteende efter att ha förlorat en del av sin hjärna till traumatisk hjärnskada eller en tumör, sa Arnd Pralle, biträdande professorn i fysik som leder den nya UB-studien. "Förmågan att nu reversibelt stänga av eller på enskilda celler och att observera djurets beteende tar oss äntligen till nivån för den verkliga neurologiska kretsen, vilket är oerhört spännande."

Den nya NIMH-finansieringen, som kommer från National Institute of Healths program för exceptionella, Okonventionell forskning möjliggör kunskapsacceleration (EUREKA), är ett bevis på löftet om Pralles verk.

Han och hans kollegor har redan lyckats använda sin fjärrkontrollteknik för att öppna kalciumjonkanaler, aktivera neuroner i cellkultur, och till och med manipulera beteendet hos C. elegans, en liten mask.

Tillvägagångssättet innebär användning av uppvärmda, magnetiska nanopartiklar i kombination med lite smart genteknik.

Så här fungerar det i hjärnan:Först, forskare använder ofarliga virus för att bära en speciell DNA-sträng in i hjärnan. Det nya genetiska materialet inducerar specifika, riktade celler för att bygga en speciell jonkanal som innehåller en receptor som magnetiska nanopartiklar kommer att känna igen.

När nanopartiklarna låser sig på dessa jonkanaler, forskare applicerar ett alternerande magnetfält på hjärnan som får partiklarnas magnetisering att vända snabbt, genererar värme. Den värmen stimulerar sedan jonkanalerna att öppna sig, depolariserar neuronerna och får dem att brinna.

Med den nya NIMH-finansieringen, Pralles forskargrupp planerar att testa denna metod på neuroner i luktkolan, som ligger i den främre delen av hjärnan och styr hur djur uppfattar lukter.

Specifikt, forskarna kommer att se om de kan använda nanopartiklarnas lokaliserade uppvärmning för att aktivera specifika neuroner i luktkolan, får mössen att "lukta" en viss lukt även när inga faktiska kemikalier är närvarande.

När neuroforskare söker efter bättre sätt att undersöka hjärnan, Pralles metod är särskilt attraktiv eftersom magnetfält kan penetrera vävnader utan att skada dem. Andra metoder för att fjärrstyra hjärnceller är mer invasiva, inklusive en toppmodern teknik som involverar användningen av en implanterad optisk fiber för att stimulera ljusaktiverade jonkanaler.

Pralles tidigare arbete med magnetiska nanopartiklar stöddes av UB 2020 Interdisciplinary Research Development Fund, som ger startpengar till projekt med potential att ta emot större, externa anslag.

Denna startfinansiering gjorde det möjligt för Pralle och hans medarbetare att slutföra ett antal studier, inklusive en där de fäste magnetiska nanopartiklar till celler nära munnen på C. elegans.

När forskarna använde sin fjärrteknik för att värma nanopartiklarna, de flesta av maskarna började reflexmässigt krypa bakåt i ett försök att fly från värmen när temperaturen nådde 34 grader Celsius.

Universitetet är i full överensstämmelse med mandat från statliga och federala tillsynsmyndigheter som gäller human användning och vård av forskningsdjur.