动物磁感应启发的磁遗传学新突破：ΔTRPV4MagR作为新型磁遗传学执行器实现脑环路远程神经调控

　　本刊推荐：为解决磁遗传学执行器开发难题，研究人员构建了新型融合蛋白ΔTRPV4MagR，通过体外和体内实验证实其磁响应特性。研究证明该执行器在40 mT磁场刺激下钙离子内流效应优于Magneto 2.0，成功实现自由活动小鼠脑神经元钙信号调控和多巴胺释放操纵，为远程无创神经调控提供了新工具。

　　

在神经科学研究领域，精确调控特定脑区神经元活动是解析神经环路功能的关键。虽然化学遗传学和光遗传学技术已取得重大突破，但这些方法存在明显局限性：化学遗传学存在作用滞后和药物累积问题，而光遗传学需要植入光纤，存在组织穿透性差和引发炎症反应等缺点。相比之下，磁场具有无损穿透生物组织的独特优势，因此新兴的磁遗传学技术被寄予厚望，能够实现深部脑区的远程精准调控。

目前磁遗传学技术的发展面临执行器设计的挑战。现有方法主要依赖TRPV1、TRPV4和Piezo等离子通道与纳米颗粒或铁蛋白的结合，但这些策略存在明显不足：基于TRPV1的方法需要热效应激活，可能造成组织损伤；纳米颗粒在脑内的滞留时间有限，需要重复注射；而铁蛋白为基础的Magneto 2.0虽然有所改进，但仍需优化。特别值得注意的是，MagR（磁感应受体蛋白）作为一种潜在的磁感应蛋白，其磁感知能力在科学界存在重大争议，有些研究甚至认为其磁敏感性可能源于实验污染。

在这项发表于《Brain and Spine》的研究中，来自北京军事医学研究院的研究团队受到动物磁感应现象的启发，开发了一种新型磁遗传学执行器。他们通过基因工程方法将MagR蛋白与截短的TRPV4离子通道的C端融合，构建了ΔTRPV4^MagR融合蛋白，旨在解决现有磁遗传学技术的局限性，并为MagR的磁感知能力提供直接证据。

研究人员运用了多项关键技术方法：通过慢病毒载体系统在HEK293T细胞中表达融合蛋白；使用Yo Pro 1实验验证TRPV4通道功能；采用Fluo-4钙成像技术检测磁场刺激下的钙离子内流；通过免疫共沉淀技术分析蛋白相互作用；利用光纤记录技术在自由活动小鼠中监测脑内钙信号和多巴胺动态变化；使用小动物磁刺激仪进行体内磁场加载；通过行为学分析评估磁调控效果。

3.1 The fusion protein ΔTPRV4^dMagR responds to magnetic stimulation and initiates calcium influx

研究人员首先通过Fluo-4钙成像实验发现，在40 mT、0.1 Hz磁场刺激下，表达ΔTRPV4^dMagR的HEK293T细胞出现明显的钙离子内流，而单独表达MagR或TRPV4的细胞则无此反应。该过程可被TRPV4拮抗剂GSK219和钙通道阻断剂钌红所抑制，表明这一现象是TRPV4通道特异性激活的结果。

3.2 ΔTRPV4^MagR outperforms magneto 2.0 as a magnetic actuator

比较研究显示，ΔTRPV4^dMagR在相同磁场参数下的钙响应显著强于Magneto 2.0（ΔTRPV4^Ferritin）。特别值得注意的是，不同物种来源的MagR表现出不同的磁敏感性：鸽子来源的cMagR和人来源的hMagR的磁敏感性均优于果蝇来源的dMagR，且这种磁响应具有强度依赖性。

3.3 Remote magnetogenetic manipulation of brain neural activity by ΔTRPV4^cMagR

在体实验表明，通过病毒载体在小鼠M2脑区表达ΔTRPV4^cMagR后，32 Hz磁场刺激能够显著提升神经元内钙水平，而对照组无此变化，证实了该执行器在活体脑组织中的有效性。

3.4 The remote magnetogenetic manipulation of dopamine release of brain VTA dopaminergic neurons by ΔTRPV4^cMagR

研究人员进一步在VTA多巴胺能神经元中特异性表达ΔTRPV4^cMagR，发现在磁场刺激下，NAc脑区的多巴胺释放显著增加，证明了该技术对特定神经递质系统的调控能力。

3.5 Remote magnetic stimulations in striatum by ΔTRPV4^cMagR cause rotation around body-axis

行为学实验发现，在纹状体表达ΔTRPV4^cMagR的小鼠在磁场刺激下出现向对侧旋转的行为表型，而对照组无此现象，展示了该技术对运动行为的可控调控。

3.6 Remote magnetic control of neurons in striatum by ΔTRPV4^cMagR to cause freezing-of-gait

另一行为学范式显示，在背侧和腹侧纹状体交界处表达该执行器的小鼠在磁刺激下出现步态冻结现象，进一步验证了其对复杂运动行为的调控能力。

研究讨论部分指出，该工作不仅证实了MagR的磁感知能力，还为解决MagR生物学功能的争议提供了重要证据。与铁蛋白为基础的Magneto 2.0相比，ΔTRPV4^MagR具有更高的磁敏感性和更好的性能，这可能源于MagR的棒状结构能形成磁涡旋状态并产生磁扭矩。虽然MagR与隐花色素（CRY）的复合物被认为是生物罗盘的核心组件，但本研究发现在 overexpression 情况下，MagR的磁感知可能不依赖CRY结合，而主要是机械敏感TRPV4通道激活的过程。

该研究的重要意义在于：首先，开发了一种新型高效的磁遗传学执行器，为神经科学研究提供了新的工具；其次，直接证实了MagR的磁感知能力，为解决这一科学争议提供了实验证据；第三，实现了对自由活动动物脑神经活动的远程无创调控，避免了植入物相关的组织损伤和炎症反应；最后，该技术为未来神经疾病的无创治疗提供了潜在的新策略。

尽管这项技术仍面临磁场参数标准化和设备开发的挑战，但随着跨学科合作的深入和磁刺激仪器的发展，磁遗传学技术有望在 neuroscience 研究和脑疾病治疗中发挥重要作用。这项研究不仅推动了磁遗传学领域的发展，也为理解生物磁感应机制提供了重要见解。