Markus Meister，1980年获慕尼黑工业大学物理学士；1987年获加州理工大学博士学位，之后在斯坦福大学从事博士后研究；1991年-2012年，任哈佛大学分子细胞学教授；2012年-至今，任加州理工大学生物学教授。

▲Markus Meister

Markus Meister主要从事视觉神经计算方面的研究，是最先使用多电极阵列并行记录视网膜内神经元活动的科学家之一。他的研究一方面揭示了视觉信息是如何在视网膜中进行处理和计算；另一方面揭示了视觉计算是如何影响和引导动物行为。Markus Meister先后获得了Pew Scholar、Lawrence C. Katz Prize以及Golden Brain award等奖项，并担任诸多著名研究所，包括Allen Institute for Brain Science、The HowardHughes Medical Institute以及The Max PlanckInstitute of Neurobiology的学术顾问。

原文Markus Meister

编译青云、浅滩

编辑 木东

磁场对生命活动的影响一直是科学界的研究热点之一。一方面，某些生物如何利用地磁场导航仍是一个未解之谜；另一方面，利用磁场来调控神经元或者其他细胞活动一直是神经科学家的梦想。近期，磁感应和磁遗传学的最新研究引起广泛关注。去年11月份，北京大学谢灿研究组发表文章，称发现了生物导航“第六感”的“生物指南针”；而继去年9月份清华大学张生家研究组首次用基于单个基因的方法实现磁遗传学之后，今年3月份洛克菲勒大学Jeffery M. Friedman以及弗吉尼亚大学Ali Güler等研究小组，也相继用基于双基因的方法实现了磁场远程遥控大脑活动的技术。不过，加州理工大学的著名计算神经生物学家Markus Meister（马库斯·梅斯特）于今年9月在eLife上发表题为“磁遗传学的物理极限”的文章，对这些实验结果进行了质疑，认为这些结果违反基本的物理定律。Meister的文章发表后立即引起热议。11月份出版的最新一期Nature Methods对还其文章进行了亮点介绍，并附上了作者评论。

1 被忽略的实验污染？

科学家常常将复杂的物理问题简化，得到一定数量级内的近似解，由于这样的估算往往能在一个信封的背面进行，故被称作“信封背面的计算”。Markus Meister正是通过“信封背面的计算”，发现上述研究中用到的磁性颗粒与磁场之间相互作用的能量，比实际需要的能量差了几个甚至几十个数量级（图1），违反了基本物理学定律。

图1：磁性颗粒与磁场相互作用的能量比较（Anikeeva et al., 2016）

微观世界的分子无时无刻不在进行着剧烈的随机运动，这一现象在热力学上被称为热扰动。因此，若某一粒子要起到生物磁针的作用，或者在磁场作用下产生张力或热量，不仅仅要能够感应磁场，还必须能克服微观世界的随机热运动，才能随外界磁场有序排列。在Nature杂志对他的采访中，Meister称他的质疑来源于这些研究中使用的蛋白质含铁量极低，铁原子分布极为分散，而且使用的磁场强度较弱，因此磁场的作用完全不足以克服随机热运动。

图2：室温下的热涨落

Markus Meister的质疑并非空穴来风。2014年维也纳大学David Keays就曾发表研究，指出先前多项研究中所发现的磁感应细胞实际上并不存在。利用单细胞相关的光学和电子显微镜（CLEM）技术，David Keays发现之前在虹鳟鱼或鸽子体内发现的能随磁场旋转的磁感应细胞实质上是来自实验污染。他发现，“磁感应细胞”之所以能随磁场旋转，是由于这些细胞的外表面（并非细胞内）附着了铁原子簇，并含有钛元素和铬元素，因此这些物质并非生物来源，只能是来自实验污染。由于实验器械和实验环境的影响，铁污染是常见并且非常难避免的问题，而蛋白质或者细胞随磁场旋转的实验结果分析，尤其需要特别注意排除这类污染。

2 磁场作用能否克服“生物指南针”中铁原子的随机热运动？

北京大学谢灿研究组在2015年11月发表的论文中，提出了一种“生物指南针”的结构，由已知的两个蛋白——铁硫蛋白ISCA1（在文中被重新命名为MagR）和光敏感蛋白Cry组成。其中，ISCA1从1989年发现至今，在其结构和功能方面已经有诸多研究，ISCA1在进化上高度保守，并广泛存在于不同生物体内，其主要生物学功能包括维持线粒体稳定，调控铁稳态平衡，具有顺磁性；而光敏感蛋白Cry则在地磁场生物感应过程中起重要作用，但其工作机制目前尚无定论。谢灿研究组发现，ISCA1和Cry在体外共表达后能形成蛋白复合体，该蛋白复合体在地磁场作用下能够发生旋转，因此该研究将其称为“生物指南针”。

然而，Meister指出，谢灿研究组提出的蛋白复合体不可能起到生物磁针的作用。Meister认为，室温下仍能保持铁磁性最小的磁铁矿晶体包含上百万个铁原子，它们紧密排列，形成大小约30 nm的晶体。铁原子通过磁性相互作用，克服热运动造成的无序，使铁原子的磁矩同向排列形成单畴铁磁体。而在谢灿的研究中提到的蛋白，仅含有40个铁原子，数目比上述磁铁矿晶体低约5个数量级；而且，这40个铁原子散落分布在24 nm的空间中，原子间距过大，其磁性相互作用也会大大减弱，远远达不到形成生物磁针的条件。

Meister进一步的计算表明，即便假设这些铁原子通过未知原因在室温下形成了整体的磁矩，磁场对蛋白的作用力也无法克服随机热运动而使它们以如此高的比例平行于地磁场排列。每个蛋白中的40个铁原子至多有200个不成对电子，即使形成饱和的铁磁磁矩，它们与地磁场（约50μT，微特斯拉）相互作用的能量也只有J（焦耳），而室温（T=300 K，开尔文）下所需克服的热运动的能量尺度为J（玻尔兹曼常数J/K），因此，在热运动造成的蛋白随机取向的背景上，至多只有约为0.002%的蛋白质能够通过与地磁场相互作用沿地磁场排列，这与谢灿研究组发表的论文中所声称的“约45%蛋白质棒状大分子的长轴大致平行于地磁场排列”的结论大相径庭。Meister指出，该研究中中观察到的蛋白随磁场旋转的现象可能由于完全不同的原因，甚至可能与磁场完全无关。

3 磁遗传学时代到来

磁遗传学为什么重要？为什么会引起如此关注？要回答这个问题，我们需要先回顾一下神经调控技术的发展历史（图3）。由于发病机理的复杂性，包括精神分裂症、老年痴呆症、帕金森综合症等在内的多种神经性疾病至今依然得不到有效的预防和治疗，但人类从来没有停下探索的脚步。自20世纪30年代以来，神经外科医生和神经科学家就一直在探索和开发治疗神经性疾病的技术，其中包括获得诺贝尔奖却被称为神经科学黑历史的前脑叶白质切除术，以及获得2014年拉斯克奖的深部大脑刺激技术。然而，这些技术具有高损伤性，并伴随很强的副作用，因此，开发无创伤的神经调控工具，来研究健康和疾病状态下的神经活动，修复受损伤的大脑活动，一直