Markus Meister，1980年獲慕尼黑工業大學物理學士；1987年獲加州理工大學博士學位，之後在史丹福大學從事博士後研究；1991年-2012年，任哈佛大學分子細胞學教授；2012年-至今，任加州理工大學生物學教授。
▲Markus Meister
Markus Meister主要從事視覺神經計算方面的研究，是最先使用多電極陣列並行記錄視網膜內神經元活動的科學家之一。他的研究一方面揭示了視覺信息是如何在視網膜中進行處理和計算；另一方面揭示了視覺計算是如何影響和引導動物行為。Markus Meister先後獲得了Pew Scholar、Lawrence C. Katz Prize以及Golden Brain award等獎項，並擔任諸多著名研究所，包括Allen Institute for Brain Science、The HowardHughes Medical Institute以及The Max PlanckInstitute of Neurobiology的學術顧問。
原文Markus Meister
編譯青雲、淺灘
編輯 木東
磁場對生命活動的影響一直是科學界的研究熱點之一。一方面，某些生物如何利用地磁場導航仍是一個未解之謎；另一方面，利用磁場來調控神經元或者其他細胞活動一直是神經科學家的夢想。近期，磁感應和磁遺傳學的最新研究引起廣泛關注。去年11月份，北京大學謝燦研究組發表文章，稱發現了生物導航「第六感」的「生物指南針」；而繼去年9月份清華大學張生家研究組首次用基於單個基因的方法實現磁遺傳學之後，今年3月份洛克菲勒大學Jeffery M. Friedman以及維吉尼亞大學Ali Güler等研究小組，也相繼用基於雙基因的方法實現了磁場遠程遙控大腦活動的技術。不過，加州理工大學的著名計算神經生物學家Markus Meister（馬庫斯·梅斯特）於今年9月在eLife上發表題為「磁遺傳學的物理極限」的文章，對這些實驗結果進行了質疑，認為這些結果違反基本的物理定律。Meister的文章發表後立即引起熱議。11月份出版的最新一期Nature Methods對還其文章進行了亮點介紹，並附上了作者評論。
1 被忽略的實驗汙染？
科學家常常將複雜的物理問題簡化，得到一定數量級內的近似解，由於這樣的估算往往能在一個信封的背面進行，故被稱作「信封背面的計算」。Markus Meister正是通過「信封背面的計算」，發現上述研究中用到的磁性顆粒與磁場之間相互作用的能量，比實際需要的能量差了幾個甚至幾十個數量級（圖1），違反了基本物理學定律。
圖1：磁性顆粒與磁場相互作用的能量比較（Anikeeva et al., 2016）
微觀世界的分子無時無刻不在進行著劇烈的隨機運動，這一現象在熱力學上被稱為熱擾動。因此，若某一粒子要起到生物磁針的作用，或者在磁場作用下產生張力或熱量，不僅僅要能夠感應磁場，還必須能克服微觀世界的隨機熱運動，才能隨外界磁場有序排列。在Nature雜誌對他的採訪中，Meister稱他的質疑來源於這些研究中使用的蛋白質含鐵量極低，鐵原子分布極為分散，而且使用的磁場強度較弱，因此磁場的作用完全不足以克服隨機熱運動。
圖2：室溫下的熱漲落
Markus Meister的質疑並非空穴來風。2014年維也納大學David Keays就曾發表研究，指出先前多項研究中所發現的磁感應細胞實際上並不存在。利用單細胞相關的光學和電子顯微鏡（CLEM）技術，David Keays發現之前在虹鱒魚或鴿子體內發現的能隨磁場旋轉的磁感應細胞實質上是來自實驗汙染。他發現，「磁感應細胞」之所以能隨磁場旋轉，是由於這些細胞的外表面（並非細胞內）附著了鐵原子簇，並含有鈦元素和鉻元素，因此這些物質並非生物來源，只能是來自實驗汙染。由於實驗器械和實驗環境的影響，鐵汙染是常見並且非常難避免的問題，而蛋白質或者細胞隨磁場旋轉的實驗結果分析，尤其需要特別注意排除這類汙染。
2 磁場作用能否克服「生物指南針」中鐵原子的隨機熱運動？
北京大學謝燦研究組在2015年11月發表的論文中，提出了一種「生物指南針」的結構，由已知的兩個蛋白——鐵硫蛋白ISCA1（在文中被重新命名為MagR）和光敏感蛋白Cry組成。其中，ISCA1從1989年發現至今，在其結構和功能方面已經有諸多研究，ISCA1在進化上高度保守，並廣泛存在於不同生物體內，其主要生物學功能包括維持線粒體穩定，調控鐵穩態平衡，具有順磁性；而光敏感蛋白Cry則在地磁場生物感應過程中起重要作用，但其工作機制目前尚無定論。謝燦研究組發現，ISCA1和Cry在體外共表達後能形成蛋白複合體，該蛋白複合體在地磁場作用下能夠發生旋轉，因此該研究將其稱為「生物指南針」。
然而，Meister指出，謝燦研究組提出的蛋白複合體不可能起到生物磁針的作用。Meister認為，室溫下仍能保持鐵磁性最小的磁鐵礦晶體包含上百萬個鐵原子，它們緊密排列，形成大小約30 nm的晶體。鐵原子通過磁性相互作用，克服熱運動造成的無序，使鐵原子的磁矩同向排列形成單疇鐵磁體。而在謝燦的研究中提到的蛋白，僅含有40個鐵原子，數目比上述磁鐵礦晶體低約5個數量級；而且，這40個鐵原子散落分布在24 nm的空間中，原子間距過大，其磁性相互作用也會大大減弱，遠遠達不到形成生物磁針的條件。
Meister進一步的計算表明，即便假設這些鐵原子通過未知原因在室溫下形成了整體的磁矩，磁場對蛋白的作用力也無法克服隨機熱運動而使它們以如此高的比例平行於地磁場排列。每個蛋白中的40個鐵原子至多有200個不成對電子，即使形成飽和的鐵磁磁矩，它們與地磁場（約50μT，微特斯拉）相互作用的能量也只有J（焦耳），而室溫（T=300 K，開爾文）下所需克服的熱運動的能量尺度為J（玻爾茲曼常數J/K），因此，在熱運動造成的蛋白隨機取向的背景上，至多只有約為0.002%的蛋白質能夠通過與地磁場相互作用沿地磁場排列，這與謝燦研究組發表的論文中所聲稱的「約45%蛋白質棒狀大分子的長軸大致平行於地磁場排列」的結論大相逕庭。Meister指出，該研究中中觀察到的蛋白隨磁場旋轉的現象可能由於完全不同的原因，甚至可能與磁場完全無關。
3 磁遺傳學時代到來
磁遺傳學為什麼重要？為什麼會引起如此關注？要回答這個問題，我們需要先回顧一下神經調控技術的發展歷史（圖3）。由於發病機理的複雜性，包括精神分裂症、老年痴呆症、帕金森綜合症等在內的多種神經性疾病至今依然得不到有效的預防和治療，但人類從來沒有停下探索的腳步。自20世紀30年代以來，神經外科醫生和神經科學家就一直在探索和開發治療神經性疾病的技術，其中包括獲得諾貝爾獎卻被稱為神經科學黑歷史的前腦葉白質切除術，以及獲得2014年拉斯克獎的深部大腦刺激技術。然而，這些技術具有高損傷性，並伴隨很強的副作用，因此，開發無創傷的神經調控工具，來研究健康和疾病狀態下的神經活動，修復受損傷的大腦活動，一直是神經科學家追求的夢想，而「光遺傳學」、「超聲波遺傳學」和「磁遺傳學」正是他們實現夢想的至關重要的手段。
圖3：神經調控工具的發展歷史（Temel et al., 2015）
首先，「光遺傳學」（optogenetics）技術給神經生物學，或者從更大範圍來說，給生命醫學領域帶來了一場技術革命。簡單地說，光遺傳學是指將光敏感基因導入神經元，用光來操縱神經元活動的方法。目前，光遺傳學不僅被廣泛用於研究與特定行為相關的神經環路，在臨床轉化如治療失明、帕金森症、緩解慢性疼痛等也有廣泛的潛在應用。儘管光遺傳學在十年間迅速在全世界得到推廣，並且已經用於治療失明患者，然而由於生物組織對光的吸收和散射作用，光穿透生物組織的能力差，因此需要進行開顱手術，在大腦中植入光纖，這使得光遺傳學的應用受到了限制。
而與光刺激相比，超聲波和磁場是無損傷調控神經活動的最佳手段，這也是B超和核磁共振廣泛運用於臨床的重要原因之一。去年9月，Salk研究所Sreekanth Chalasani研究組首次實現了「超聲波遺傳學」。這一方法是通過在神經元裡過度表達機械敏感離子通道TRP-4，使得原本對低壓超聲波不敏感的神經元敏感化——超聲波引起的細胞膜機械形變可以有效地激活TRP-4，從而激活神經活動。但是，超聲波在空氣中傳播衰減快，不僅需要將實驗裝置放置在水中，而且需要用微小脂膜氣泡來放大超聲效果，這些缺點都限制了超聲波遺傳學的推廣和應用。
與光和超聲波相比，磁場與生物體內分子的相互作用弱，而穿透組織的能力更強，是一種理想的無損傷調控生物體活動手段。這也是為什麼磁遺傳學一問世便受到廣泛關注的原因。近期在美國召開的神經科學年會上，約翰霍普金斯大學Galit Pelled研究組公布了他們的最新研究成果：在鯰魚中發現的一種新的磁敏感基因EPG。他們的研究發現，將EPG基因在神經元中過表達後，外界磁場刺激能夠激活神經元活動；將EPG導入大鼠運動皮層後，磁場刺激能夠控制大鼠的肌肉收縮。這一研究馬上引起了科學界的廣泛關注。另外，此次神經科學年會的hot topics研究專題中包括張生家研究組關於「磁遺傳學：遠程無創調控神經活動的技術」的研究。通過表達克隆來大規模篩選磁遺傳學家族新成員，顯然已經成為一個熱門研究方向。
不可否認，磁遺傳學的時代已經來臨。
4 基於磁納米顆粒的磁熱學
迄今為止，磁場已經在臨床上用於核磁共振成像、經顱磁刺激治療、神經膠質瘤的磁靶向熱療等。其中，磁靶向熱療是指將磁納米顆粒注射入大腦神經膠質瘤內，外加高頻率高強度交變磁場，通過磁滯作用加熱磁納米顆粒，使組織溫度升高，從而殺死腫瘤細胞。與此相似，很多神經科學家也將精力集中在用磁場加熱磁納米顆粒的效應來調控神經元活動，他們包括水牛城大學Arnd Pralle、洛克菲洛大學Jeffery Friedman和麻省理工大學PolinaAnikeeva等研究團隊。
這一技術的實現，均依賴於TRP家族成員、熱敏感離子通道TRPV1。通過在神經元裡過度表達TRPV1，使這些神經元對溫度敏感化，外源注射磁納米顆粒在磁場的作用下加熱至43度以上，使TRPV1離子通道打開，陽離子內流，從而激活神經活動（圖4）。然而，該技術需要磁納米顆粒永久注射入大腦，並可能引起細胞內吞影響產生炎症反應；其次，該技術的有效區域僅限於注射區域，並且加熱溫度遠超正常生理溫度，可能會殺死正常細胞。可以看到，這一技術同時依賴於外源磁納米顆粒注射和基因表達這兩個步驟，因此，該技術只是磁熱學，而並非真正意義上的磁遺傳學。
圖4：磁場加熱磁納米顆粒打開TRPV1離子通道（Chen et al., 2015）
5 基於儲鐵蛋白Ferritin的神經活動調控方法
洛克菲勒大學Jeffrey Friedman團隊基於基因調控的方法，在神經元裡過表達儲鐵蛋白ferritin和熱敏感離子通道TRPV1的融合蛋白（圖5），試圖通過磁場加熱ferritin達到相同的效果。儲鐵蛋白ferritin是一種直徑約為12nm的球狀蛋白，中心包裹直徑約為5 nm的鐵原子簇，因此相當於一種內源合成的磁納米顆粒。
圖5：Ferritin-TRPV1打開離子通道(Stanley etal., 2015)
除了加熱磁納米顆粒，另外一種途徑是通過磁納米顆粒在磁場作用下產生的張力或扭矩來打開離子通道。Jeffery Friedman和Ali Güler在今年3月份發表的研究正是利用了具有機械敏感特性的離子通道TRPV1/TRPV4（下面合稱TRPV）在張力作用下能被激活的特性。
這兩個小組利用在神經元裡過表達儲鐵蛋白（ferritin）與機械感受離子通道TRPV的融合蛋白，試圖通過含鐵蛋白在外界磁場作用下移動或旋轉，來打開與之相連的TRPV離子通道，從而激活神經活動。他們觀察到在梯度磁場作用下，表達了融合蛋白ferritin-TRPV的離體細胞、腦片、活體等不同系統均能被磁場激活。
6 Meister對儲鐵蛋白Ferritin有效性的質疑
然而，針對上述Jeffrey Friedman和Ali Güler團隊運用儲鐵蛋白Ferrtin調控神經元活動的技術，Markus Meister在他發表在eLife上的文章中也都提出了相應的質疑。
首先，Markus Meister指出，根據已有研究，ferritin的加熱效率幾乎可以忽略不計。這是因為磁場加熱納米顆粒與顆粒尺寸密切相關，當磁性顆粒尺寸小於10 nm時，加熱效率大大降低，而ferritin中心鐵原子簇的直徑只有5 nm左右，因而熱效應幾乎可忽略不計。若將實驗中採用的ferritin替換為填充摻鈷磁鐵礦顆粒，在高頻交變磁場中的加熱效率最高可達P=30 W/g，單個ferritin的發熱效率為W，將在ferritin顆粒外層形成溫度梯度（圖6）。根據熱傳導方程，結合ferritin半徑r=6 nm以及水的熱導率k=0.61 W/m?K，可得到ferritin外表面溫度上升約T=Q/(4πκr)= K，比TRPV1離子通道打開所需溫度5 K低10個數量級。即使大量ferritin聚集成圖5下方所示的直徑10μm的顆粒，在交變磁場中其外表面溫度也只不過上升K。
圖6：Ferritin在交變磁場中形成溫度梯度（Markus Meister, 2016）
其次，針對Jeffery Friedman和Ali Güler3月份發表的研究，Meister在他的論文中設想了ferritin與磁場的相互作用的可能機制，來解釋研究中所觀察到的ferritin在外磁場中打開離子通道的現象。在磁場中，鐵原子與磁場的相互作用使得鐵原子磁矩傾向於平行於磁場的方向，從而整體呈現出很小的淨磁矩m=ξB，其中ξ為磁化率。由於ferritin中心鐵原子簇的納米顆粒很小，室溫下的熱運動造成鐵原子的磁矩取向隨機排布，整體沒有淨磁矩。因而，ferritin在室溫下呈順磁性或者超順磁性。
Meister的第一種解釋將該現象歸結為與離子通道相連的ferritin在有梯度的磁場中受到的力（如圖3a所示）。然而，Meister利用已有實驗得到的ferritin的磁化率為ξ=，結合Güler研究小組的實驗條件，即磁場約0.05 T，磁場梯度約6.6 T/m，計算得到單個ferritin分子受到的力為F1=ξB(dB/dx)= N（牛頓），這比目前已知的打開耳蝸毛細胞中的機械敏感離子通道所需的力N小9個數量級。
同時，Meister針對其他幾種可能的解釋也一一進行了計算，這包括兩個連接在離子通道上的ferritin在磁場中通過淨磁矩間的偶極矩作用相互吸引或排斥，拉開相連的離子通道（圖7b），或者如果ferritin有磁化各向異性，當易磁化軸與磁場不平行時會感受到扭矩，拉開相連的離子通道（圖7c），或者大量ferritin附著在細胞膜上，它們與磁場相互作用的合力使細胞膜變形而打開某些特定的離子通道（圖7d）。
然而，所有這些計算均表明在Güler小組報告的實驗條件下，單個離子通道受到的拉力（圖7a，7b，7c的情形）或單位面積細胞膜受到的拉力（圖7d的情形）均比此前實驗已知所需的值小6個甚至8個數量級。換一種方式考慮，計算ferritin在磁場中定向運動降低的能量，也發現在上述多種可能性中，這一能量與熱運動的能量之比為甚至的量級，表明磁場造成的ferritin的定向運動會完全淹沒在它的隨機熱運動中，無法表現出可觀測的效應。
圖7：Ferritin打開離子通道的可能方式（Markus Meister, 2016）
Meister在論文中沒有指出的是，TRPV離子通道會被多種內源性和外源性刺激所激活，其中包括pH值、滲透壓、激素等，因此，無論是基於磁納米顆粒-TRPV或ferritin-TRPV的方法，都很難避免產生非特異性效應，這與基於單個基因ISCA1的磁遺傳學方法相比是明顯的缺點。Jeffery Friedman以及Ali Güler等相關作者對Markus Meister在eLife論文中的質疑作出了積極的回應。他們認為，一系列體外和體內的實驗足以證明基於磁場調控神經活動技術的可行性和穩定性。一個生物系統中，在有足夠的相關參數都已知的情況下，數學計算通常可以用來模擬生物現象。但是，目前磁場調控神經活動的準確工作機制並不清楚，鑑於生物過程的內在複雜性，許多系統參數未知，因而基於已有的、但並不完整的系統參數，Meister所做的純理論計算的適用性會受到限制。他們認為，數學理論需要適應可用的實驗數據，而不是讓實驗數據去適應數學理論。
7 沒有定論的結論
綜上所述，Meister通過理論計算表明，在「生物指南針」和ferritin調控神經活動的論文中，含鐵蛋白與靜磁場或者交變磁場相互作用產生的張力、扭矩或者溫度變化要麼遠遠不足以克服隨機熱運動，要麼比改變含鐵蛋白排布或溫度來打開離子通道所需的張力或者熱量低幾個數量級。Meister指出，如果文章描述的實驗現象確實發生了，那可能依賴於與文章描述完全不同的機制，甚至完全與磁場無關。
鑑於磁遺傳學的分子和細胞機制仍不清楚，Jeffery Friedman等觀察到磁場在體外和體內調控神經活動的實驗現象，可能是由於體內尚不清楚的蛋白質結構和與離子通道相互作用的某種機制導致的。例如，有研究表明，類似ferritin的顆粒在體內可以規則排布形成直徑約400 nm的晶體結構，遠遠大於保持鐵磁性的臨界顆粒尺寸30nm，因而可能形成固有磁矩而隨磁場排布，這些情況是Meister的文章中並未考慮到的。另一方面，謝燦研究組在論文中基於實驗結果得出的「生物指南針」的理論模型，經過Meister計算並不能產生複合蛋白隨磁場旋轉的現象，因此其研究首先必須排除實驗中鐵汙染的可能，其次需要在體內進行進一步驗證。
儘管Meister對ferritin的作用機制提出了質疑，但同時他也認為有從ferrtin的磁化各向異性，以及磁場強度和均勻性兩方面做進一步改進和替代的可能性。此外他還指出，趨磁細菌中的磁小體由於具有固有磁矩，可以在磁場作用下產生較大的張力、扭矩或者較高溫度，因此從物理學上來說是一個可行的途徑。但磁小體的合成條件十分嚴苛，參與的基因高達幾十種，到目前為止磁小體只在近緣生物紅螺菌裡合成，還不能在實驗室常用的大腸桿菌等體系中合成，因此要在哺乳動物中實現還有很長的路要走。
Meister認為，關於「生物指南針」和ferritin調控神經活動的文章發表在高影響力的雜誌上是令人遺憾的，因為這並不利於進一步創新。考慮到重複實驗的可能風險，他表示：「除了追求驚人的發現，科學家有義務花更多的時間去檢驗它們。」