Магнитные нанодиски обеспечивают стимуляцию мозга без имплантатов

краткое содержание: Ученые разработали магнитные нанодиски, которые позволяют целенаправленно стимулировать мозг без необходимости инвазивных имплантатов или генетических модификаций. Крошечные диски, активируемые внешним магнитным полем, передают электрические импульсы нервным клеткам, что демонстрирует потенциал для лечения неврологических заболеваний.

Первоначальные испытания на мышах показали, что эти нанодиски эффективно стимулируют области мозга, связанные с вознаграждением и контролем движений, с меньшей реакцией на посторонние предметы, чем традиционные имплантаты. Исследование представляет собой шаг к новым, менее инвазивным методам лечения заболеваний головного мозга.

Будущие усовершенствования направлены на увеличение мощности электрических импульсов дисков для повышения эффективности. При дальнейших исследованиях эти нанодиски могут стать ценными инструментами в неврологических исследованиях и лечении.

Ключевые факты:

• Нанодиски обеспечивают электрическую стимуляцию при активации внешним магнитом.
• Тесты, проведенные на мышах, показали эффективную стимуляцию областей мозга, связанных с вознаграждением и двигательными функциями.
• Будущие исследования будут сосредоточены на усилении электрической мощности нанодисков для клинического использования.

источник: Массачусетский технологический институт

Новые магнитные нанодиски могут обеспечить гораздо менее инвазивный способ стимуляции частей мозга, открыв путь к методам стимуляции без имплантатов или генетической модификации, сообщают исследователи из Массачусетского технологического института.

Ученые предполагают, что крошечные диски шириной около 250 нанометров (около 1/500 ширины человеческого волоса) будут введены непосредственно в нужное место мозга. Оттуда их можно активировать в любой момент, просто приложив магнитное поле вне тела.

Новые частицы могут быстро найти применение в биомедицинских исследованиях и, в конечном итоге, после достаточных испытаний, могут быть применены в клинических целях.

Разработка этих наночастиц описана в журнале Природные нанотехнологиив статье Полины Аникиевой, профессора факультетов материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, а также аспиранта Йи Джи Кима и еще 17 человек в Массачусетском технологическом институте и в Германии.

Глубокая стимуляция мозга (DBS) — это распространенная клиническая процедура, в которой используются электроды, имплантированные в определенные области мозга для лечения симптомов нервно-психических состояний, таких как болезнь Паркинсона и обсессивно-компульсивное расстройство.

Несмотря на эффективность, хирургическая сложность и клинические осложнения, связанные с DBS, ограничивают количество случаев, в которых такая инвазивная процедура оправдана. Новые нанодиски могут обеспечить более плавный способ достижения тех же результатов.

За последнее десятилетие были разработаны другие безимплантационные методы стимуляции мозга. Однако эти методы часто были ограничены своим пространственным разрешением или способностью воздействовать на глубокие регионы.

За последнее десятилетие группа Аникеевой по биоэлектронике, а также другие специалисты в этой области использовали наноразмерные магнитные материалы для преобразования удаленных магнитных сигналов в стимуляцию мозга. Однако эти магнитные методы основаны на генетических модификациях и не могут быть использованы на людях.

Поскольку все нейроны чувствительны к электрическим сигналам, Ким, аспирантка из группы Аникиевой, предположила, что электромагнитный наноматериал, способный эффективно преобразовывать намагниченность в электрические потенциалы, может открыть путь к дистанционной магнитной стимуляции мозга. Однако создание наноразмерного электромагнитного материала оказалось огромной проблемой.

Ким собрала новые электромагнитные нанодиски и сотрудничала с Ноем Кентом, постдокторантом лаборатории Аникеевой с опытом работы в области физики и вторым автором исследования, чтобы понять свойства этих частиц.

Структура новых нанодисков состоит из двухслойного магнитного сердечника и пьезоэлектрической оболочки. Магнитный сердечник магнитотропен, что означает, что он меняет форму при намагничивании.

Эта деформация затем вызывает напряжение в пьезоэлектрической оболочке, что приводит к изменению электрической поляризации. Объединив два эффекта, эти составные частицы могут доставлять электрические импульсы нейронам при воздействии магнитных полей.

Одним из ключей к эффективности таблеток является форма таблетки. По словам Кима, в предыдущих попытках создания магнитных наночастиц использовались сферические частицы, но электромагнитный эффект был очень слабым. Кент добавляет, что этот контраст усиливает магнитное сжатие более чем в 1000 раз.

Команда сначала добавила свои нанодиски к культивируемым нейронам, что затем позволило активировать эти клетки по требованию с помощью коротких импульсов магнитного поля. Эта стимуляция не требовала какой-либо генетической модификации.

Затем они ввели небольшие капли раствора электромагнитных нанодисков в определенные области мозга мышей. Следовательно, простое включение относительно слабого электромагнита поблизости заставляет частицы выпустить небольшой электрический разряд в эту область мозга.

Стимуляцию можно включать и выключать дистанционно, переключая электромагнит. Эта электрическая стимуляция «оказала влияние на активность и поведение нейронов», — говорит Ким.

Команда обнаружила, что электромагнитные нанодиски могут стимулировать область глубоко в мозге, вентральную область покрышки, связанную с чувством вознаграждения.

Команда также стимулировала другую область мозга — субталамическое ядро, связанное с контролем движений.

«Это область, куда обычно вживляют электроды для лечения болезни Паркинсона», — объясняет Ким.

Исследователям удалось успешно продемонстрировать модификацию моторного контроля с помощью частиц. В частности, вводя нанодиски только в одно полушарие, исследователи смогли вызвать вращение у здоровых мышей, применяя магнитное поле.

Нанодиски могут вызывать нейронную активность, сравнимую с традиционными имплантированными электродами, обеспечивающими мягкую электрическую стимуляцию. Используя свой метод, исследователи достигли временного разрешения нейронной стимуляции менее секунды, но наблюдали значительно меньше реакций на инородное тело по сравнению с электродами, что может обеспечить более безопасную глубокую стимуляцию мозга.

Многослойный химический состав, форма и физический размер новых многослойных нанодисков сделали возможным микрокатализ.

Хотя исследователям удалось усилить эффект магнитного втягивания, вторая часть процесса, преобразование магнитного эффекта в электрический выход, все еще требует дополнительной работы, говорит Аникиева.

Хотя магнитный отклик был в тысячу раз сильнее, преобразование в электрический импульс было всего в четыре раза сильнее, чем при использовании обычных сферических частиц.

«Это огромное тысячекратное улучшение еще не полностью перешло в электромагнитное улучшение», — говорит Ким.

«Именно здесь будет сосредоточено много будущих работ, чтобы убедиться, что тысячекратное усиление магнитного сжатия может быть преобразовано в тысячекратное усиление электромагнитной связи».

То, что команда обнаружила относительно того, как форма частиц влияет на их магнитное сжатие, было совершенно неожиданным.

«Это что-то новое, что появилось только тогда, когда мы попытались выяснить, почему эти частицы работают так хорошо», — говорит Кент.

«Да, это рекордная частица, но она не такая рекордная, как должна быть», — добавляет Аникиева. Это остается темой для дальнейшей работы, но у команды есть идеи, как добиться дальнейшего прогресса.

Хотя в принципе уже можно применять эти нанодиски в фундаментальных исследованиях с использованием моделей животных, их перевод в клиническое использование на людях потребует нескольких дальнейших шагов, включая крупномасштабные исследования безопасности, «что-то, что академические исследователи не обязательно имеют опыт, чтобы сделать это». «Хорошая ситуация». «Надо», — говорит Аникиева.

«Когда мы обнаружим, что эти частицы действительно полезны в конкретном клиническом контексте, мы полагаем, что у них появится возможность пройти более строгие крупные исследования безопасности на животных».

В состав команды входили исследователи из факультетов материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, электротехники и информатики, химии, а также наук о мозге и когнитивных науках; Научно-исследовательская лаборатория электроники. Институт исследования мозга Макговерна; Институт Коха интегративных исследований рака; Из Университета Фридриха Александра в Эрлангене, Германия.

Финансирование: Эта работа частично поддерживалась Национальными институтами здравоохранения, Национальным центром дополнительного и интегративного здоровья, Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта, Институтом исследований мозга Макговерна и Институтом исследований мозга К. Лиза Янг и Хоук Э. Танский центр молекулярной терапии в нейробиологии.

О новостях нейротехнологических исследований

автор: Дэвид Л. Чендлер
источник: Массачусетский технологический институт
коммуникация: Дэвид Л. Чендлер — Массачусетский технологический институт
изображение: Изображение предоставлено Neuroscience News.

Исходный поиск: Открытый доступ.
«Электромагнитные нанодиски обеспечивают безгенную беспроводную нейромодуляциюНаписали Полина Аникиева и др. Природные нанотехнологии

резюме

Электромагнитные нанодиски обеспечивают безгенную беспроводную нейромодуляцию

Глубокая стимуляция мозга с помощью имплантированных электродов изменила нейробиологические исследования и лечение нервно-психических заболеваний. Открытие менее инвазивных альтернатив глубокой стимуляции мозга может расширить ее клиническое и исследовательское применение. Преобразование магнитных полей, опосредованных наноматериалами, в электрические потенциалы изучалось как средство удаленной нейромодуляции.

Здесь мы синтезируем электромагнитные нанодиски (MEND) с использованием Fe с двойной оболочкой.₃Привет₄-кофе₂Привет₄-Патио₃ Структура (диаметр 250 нм и толщина 50 нм) с эффективной электромагнитной связью.

Мы обнаружили сильные ответы на стимуляцию магнитным полем в нейронах, украшенных MEND при плотности 1 мкг/мм.^-2 Хотя потенциалы одиночных частиц находятся ниже порога нервного возбуждения. Мы предлагаем модель рецидивирующей подпороговой деполяризации, которая вместе с теорией кабеля подтверждает наши наблюдения in vitro и дает информацию об электромагнитной стимуляции in vivo.

Его вводят в вентральную покрышку или субталамическое ядро ​​генетически нормальных мышей в концентрации 1 мг.^-1MENDs позволяют дистанционно контролировать вознаграждение или двигательное поведение соответственно.

Эти открытия открывают путь к совершенствованию механики электромагнитной нейромодуляции для применения в исследованиях в области нейробиологии.