Магнитните нанодискове осигуряват мозъчна стимулация без импланти

резюме: Учените са разработили магнитни нанодискове, които позволяват целенасочена мозъчна стимулация без необходимост от инвазивни импланти или генетични модификации. Малките дискове, активирани от външно магнитно поле, доставят електрически импулси към нервните клетки, което показва потенциал за лечение на неврологични състояния.

Първоначалните тестове при мишки показаха, че тези нанодискове ефективно стимулират области на мозъка, свързани с възнаграждението и двигателния контрол, с по-малко реакции към чужди обекти, отколкото традиционните импланти. Проучването представлява стъпка към нови, по-малко инвазивни лечения за мозъчни нарушения.

Бъдещите подобрения имат за цел да подобрят електрическия импулсен изход на дисковете за по-голяма ефективност. С по-нататъшни изследвания тези нанодискове могат да се превърнат в ценни инструменти в неврологичните изследвания и лечения.

Ключови факти:

• Нанодисковете осигуряват електрическа стимулация, когато се активират от външен магнит.
• Тестовете, проведени върху мишки, показват ефективно стимулиране на мозъчни области, свързани с възнаграждението и двигателните функции.
• Бъдещите изследвания ще се фокусират върху усилването на електрическата мощност на нанодискове за клинична употреба.

източник: Масачузетски технологичен институт

Новите магнитни нанодискове могат да осигурят много по-малко инвазивен начин за стимулиране на части от мозъка, проправяйки пътя за стимулиращи лечения без импланти или генетична модификация, съобщават изследователи от MIT.

Учените предвиждат, че малките дискове, широки около 250 нанометра (около 1/500 от ширината на човешки косъм), ще бъдат инжектирани директно в желаното място в мозъка. Оттам те могат да бъдат активирани по всяко време просто чрез прилагане на магнитно поле извън тялото.

Новите частици могат бързо да намерят приложения в биомедицинските изследвания и в крайна сметка, след достатъчно тестове, могат да бъдат приложени за клинични цели.

Развитието на тези наночастици е описано в списанието Природни нанотехнологиив доклад на Полина Аникиева, професор в катедрите по материалознание и инженерство на Масачузетския технологичен институт и мозъчни и когнитивни науки, завършил студент И Джи Ким и 17 други в Масачузетския технологичен институт и в Германия.

Дълбоката мозъчна стимулация (DBS) е обичайна клинична процедура, която използва електроди, имплантирани в целеви области на мозъка за лечение на симптоми на невропсихиатрични състояния като болестта на Паркинсон и обсесивно-компулсивно разстройство.

Въпреки ефективността си, хирургичната трудност и клиничните усложнения, свързани с DBS, ограничават броя на случаите, в които такава инвазивна процедура е оправдана. Новите нанодискове могат да осигурят по-гладък начин за постигане на същите резултати.

През последното десетилетие бяха разработени други методи без импланти за получаване на мозъчна стимулация. Тези методи обаче често са били ограничени от тяхната пространствена разделителна способност или способност за насочване към дълбоки региони.

През последното десетилетие групата Bioelectronics на Аникеева, както и други в тази област, са използвали наномащабни магнитни материали за преобразуване на дистанционни магнитни сигнали в мозъчна стимулация. Тези магнитни методи обаче разчитат на генетични модификации и не могат да се използват при хора.

Тъй като всички неврони са чувствителни към електрически сигнали, Ким, завършил студент в групата на Аникиева, предположи, че електромагнитен наноматериал, който може ефективно да преобразува магнетизацията в електрически потенциали, може да осигури път към дистанционна магнитна мозъчна стимулация. Създаването на наномащабен електромагнитен материал обаче е огромно предизвикателство.

Ким събра нови електромагнитни нанодискове и си сътрудничи с Ноа Кент, постдокторант в лабораторията на Аникеева с опит в областта на физиката и втория автор на изследването, за да разбере свойствата на тези частици.

Структурата на новите нанодискове се състои от двуслойна магнитна сърцевина и пиезоелектрична обвивка. Магнитното ядро ​​е магнитотропно, което означава, че променя формата си при намагнитване.

След това тази деформация предизвиква напрежение в пиезоелектричната обвивка, което произвежда различна електрическа поляризация. Чрез комбиниране на двата ефекта, тези композитни частици могат да доставят електрически импулси към невроните, когато са изложени на магнитни полета.

Един от ключовете за ефективността на таблетките е формата на таблета. Предишни опити за магнитни наночастици използваха сферични частици, но електромагнитният ефект беше много слаб, казва Ким. Кент добавя, че този контраст засилва магнитното свиване повече от 1000 пъти.

Екипът първо добави своите нанодискове към култивираните неврони, което след това позволи на тези клетки да бъдат активирани при поискване с помощта на кратки импулси на магнитно поле. Тази стимулация не изисква никаква генетична модификация.

След това те инжектираха малки капки от разтвора на електромагнитния нанодиск в специфични области на мозъка на мишките. Следователно, простото включване на относително слаб електромагнит наблизо кара частиците да освободят малък удар от електричество в тази област на мозъка.

Стимулирането може да се включва и изключва дистанционно чрез превключване на електромагнита. Тази електрическа стимулация „има ефект върху активността и поведението на невроните“, казва Ким.

Екипът установи, че електромагнитните нанодискове могат да стимулират област дълбоко в мозъка, вентралната тегментална област, свързана с чувството за награда.

Екипът също така стимулира друга област на мозъка, субталамичното ядро, което е свързано с моторния контрол.

„Това е зоната, където обикновено се имплантират електроди за лечение на болестта на Паркинсон“, обяснява Ким.

Изследователите успяха успешно да демонстрират модификацията на моторния контрол чрез частици. По-конкретно, чрез инжектиране на нанодискове само в едно полукълбо, изследователите успяха да предизвикат въртене при здрави мишки чрез прилагане на магнитно поле.

Нанодисковете могат да предизвикат невронна активност, сравнима с традиционните имплантирани електроди, които осигуряват лека електрическа стимулация. Изследователите постигнаха времева разделителна способност под секунда на нервната стимулация, използвайки своя метод, но наблюдаваха значително намалени реакции на чуждо тяло в сравнение с електродите, което може да позволи по-безопасна дълбока мозъчна стимулация.

Многопластовият химичен състав, формата и физическият размер на новите многослойни нанодискове е това, което прави микрокатализата възможна.

Докато изследователите са успели да увеличат ефекта на магнитно прибиране, втората част от процеса, превръщането на магнитния ефект в електрически изход, все още се нуждае от повече работа, казва Аникиева.

Докато магнитният отговор беше хиляда пъти по-голям, преобразуването в електрически импулс беше само четири пъти по-голямо, отколкото при конвенционалните сферични частици.

„Това масивно хилядократно подобрение все още не е напълно преведено в електромагнитно подобрение“, казва Ким.

„Тук ще бъде насочена голяма част от бъдещата работа, за да се гарантира, че хилядократното усилване при магнитно свиване може да се преобразува в хиляда пъти усилване при електромагнитно свързване.“

Това, което екипът откри, по отношение на начина, по който формите на частиците влияят на тяхното магнитно свиване, беше напълно неочаквано.

„Това е нещо ново, което току-що се появи, когато се опитахме да разберем защо тези частици работят толкова добре“, казва Кент.

„Да, това е рекордна частица, но не е толкова рекордна, колкото трябва да бъде“, добавя Аникиева. Това остава тема за по-нататъшна работа, но екипът има идеи как да постигне по-нататъшен напредък.

Въпреки че по принцип е възможно вече да се приложат тези нанодискове към основни изследвания с помощта на животински модели, превеждането им в клинична употреба при хора ще изисква няколко допълнителни стъпки, включително широкомащабни проучвания за безопасност, „нещо, което академичните изследователи не е задължително да имат опит да направят .” „Добра ситуация.” „Трябва“, казва Аникиева.

„Когато открием, че тези частици са наистина полезни в конкретен клиничен контекст, ние си представяме, че ще има път, по който те да бъдат подложени на по-строги големи проучвания за безопасност при животни.“

Екипът включваше изследователи, свързани с отделите по материалознание и инженерство на MIT, електроинженерство и компютърни науки, химия и мозъчни и когнитивни науки; Изследователска лаборатория по електроника. Институт за изследване на мозъка Макгавърн; Институтът Кох за интегративни изследвания на рака; От университета Фридрих Александър в Ерланген, Германия.

Финансиране: Тази работа беше частично подкрепена от Националните институти по здравеопазване, Националния център за допълващо и интегративно здраве, Националния институт по неврологични разстройства и инсулт, Института Макгавърн за изследване на мозъка и K. Лиза Янг и Хоук Е. Тан център за молекулярна терапия в невронауките.

Относно новините за изследване на невротехнологиите

автор: Дейвид Л. Чандлър
източник: Масачузетски технологичен институт
комуникация: Дейвид Л. Чандлър – Масачузетски технологичен институт
изображение: Изображението е кредитирано на Neuroscience News

Оригинално търсене: Отворен достъп.
„Електромагнитните нанодискове позволяват безгенна безжична невромодулация„От Полина Аникиева и др. Природни нанотехнологии

резюме

Електромагнитните нанодискове позволяват безгенна безжична невромодулация

Дълбоката мозъчна стимулация с помощта на имплантирани електроди трансформира изследванията на неврологията и лечението на невропсихиатрични състояния. Откриването на по-малко инвазивни алтернативи на дълбоката мозъчна стимулация може да разшири нейните клинични и изследователски приложения. Преобразуването на медиирани от наноматериали магнитни полета в електрически потенциали е изследвано като средство за дистанционна невромодулация.

Тук ние синтезираме електромагнитни нанодискове (MENDs), използвайки Fe с двойна обвивка₃хей₄-кафе₂хей₄-Вътрешен двор₃ Структура (диаметър 250 nm и дебелина 50 nm) с ефективно електромагнитно свързване.

Откриваме силни отговори на стимулация с магнитно поле в неврони, украсени с MENDs при плътност от 1 μg mm^-2 Въпреки че потенциалите на единични частици са под прага на нервно възбуждане. Ние предлагаме модел на повтаряща се подпрагова деполяризация, която, заедно с кабелната теория, подкрепя нашите наблюдения in vitro и информира електромагнитната стимулация in vivo.

Той се инжектира във вентралната тегментална област или субталамичното ядро ​​на генетично нормални мишки в концентрации от 1 mg.^-1MENDs позволяват дистанционно управление съответно на възнаграждението или двигателното поведение.

Тези открития проправят пътя за подобряване на механиката на електромагнитната невромодулация към приложения в невронаучните изследвания.