Phoebe Newman streszczenie: Naukowcy opracowali nanodyski magnetyczne, które umożliwiają ukierunkowaną stymulację mózgu bez konieczności stosowania inwazyjnych implantów czy modyfikacji genetycznych. Maleńkie dyski, aktywowane zewnętrznym polem magnetycznym, dostarczają impulsy elektryczne do komórek nerwowych, wykazując potencjał w leczeniu schorzeń neurologicznych.
Wstępne testy na myszach wykazały, że te nanodyski skutecznie stymulowały obszary mózgu związane z kontrolą nagrody i motoryki, przy mniejszej liczbie reakcji na ciała obce niż w przypadku tradycyjnych implantów. Badanie stanowi krok w kierunku nowych, mniej inwazyjnych metod leczenia chorób mózgu.
Przyszłe ulepszenia mają na celu zwiększenie mocy wyjściowej impulsów elektrycznych tarcz w celu uzyskania większej efektywności. Dzięki dalszym badaniom te nanodyski mogą stać się cennymi narzędziami w badaniach i leczeniu neurologicznym.
Kluczowe fakty:
- Nanodyski zapewniają stymulację elektryczną po aktywacji przez zewnętrzny magnes.
- Testy przeprowadzone na myszach wykazały skuteczną stymulację obszarów mózgu związanych z funkcją nagrody i motoryką.
- Przyszłe badania skupią się na wzmocnieniu mocy elektrycznej nanodysków do zastosowań klinicznych.
źródło: Instytut Technologii Massachusetts
Naukowcy z MIT podają, że nowe nanodyski magnetyczne mogą zapewnić znacznie mniej inwazyjną metodę stymulacji części mózgu, torując drogę terapiom stymulacyjnym bez implantów i modyfikacji genetycznych.
Naukowcy przewidują, że maleńkie krążki o szerokości około 250 nanometrów (około 1/500 szerokości ludzkiego włosa) zostaną wstrzyknięte bezpośrednio w wybrane miejsce w mózgu. Stamtąd można je aktywować w dowolnym momencie, po prostu przykładając pole magnetyczne na zewnątrz ciała.
Nowe cząstki mogą szybko znaleźć zastosowanie w badaniach biomedycznych i ostatecznie, po wystarczających testach, znaleźć zastosowanie kliniczne.
W czasopiśmie opisano rozwój tych nanocząstek Nanotechnologia naturyw artykule Poliny Anikievy, profesor na wydziałach Inżynierii Materiałowej MIT oraz Nauk o Mózgu i Kognitywistyce, absolwentki Yi Ji Kim oraz 17 innych osób z MIT i Niemiec.
Głęboka stymulacja mózgu (DBS) to powszechna procedura kliniczna, w której wykorzystuje się elektrody wszczepiane w wybrane obszary mózgu w celu leczenia objawów schorzeń neuropsychiatrycznych, takich jak choroba Parkinsona i zaburzenia obsesyjno-kompulsyjne.
Pomimo skuteczności, trudność chirurgiczna i powikłania kliniczne DBS ograniczają liczbę przypadków, w których taka inwazyjna procedura jest uzasadniona. Nowe nanodyski mogą zapewnić płynniejszy sposób osiągnięcia tych samych wyników.
W ciągu ostatniej dekady opracowano inne, niewymagające implantów, metody stymulacji mózgu. Metody te były jednak często ograniczone rozdzielczością przestrzenną lub możliwością celowania w głębokie regiony.
W ciągu ostatniej dekady grupa Bioelectronics Anikeevy, a także inne osoby w tej dziedzinie, wykorzystywały materiały magnetyczne w skali nano do przekształcania zdalnych sygnałów magnetycznych w stymulację mózgu. Jednakże te metody magnetyczne opierają się na modyfikacjach genetycznych i nie mogą być stosowane u ludzi.
Ponieważ wszystkie neurony są wrażliwe na sygnały elektryczne, Kim, absolwentka grupy Anikievy, postawił hipotezę, że nanomateriał elektromagnetyczny, który mógłby skutecznie przekształcać namagnesowanie w potencjały elektryczne, mógłby zapewnić drogę do zdalnej magnetycznej stymulacji mózgu. Jednak stworzenie materiału elektromagnetycznego w nanoskali było ogromnym wyzwaniem.
Kim zbudował nowe nanodyski elektromagnetyczne i współpracował z Noahem Kentem, pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w laboratorium Anikeevy i drugim autorem badania, aby zrozumieć właściwości tych cząstek.
Struktura nowych nanodysków składa się z dwuwarstwowego rdzenia magnetycznego i powłoki piezoelektrycznej. Rdzeń magnetyczny jest magnetotropowy, co oznacza, że zmienia kształt pod wpływem namagnesowania.
To odkształcenie powoduje następnie naprężenie w powłoce piezoelektrycznej, co powoduje zmienną polaryzację elektryczną. Łącząc te dwa efekty, te cząstki kompozytowe mogą dostarczać impulsy elektryczne do neuronów pod wpływem pól magnetycznych.
Jednym z kluczy do skuteczności tabletek jest kształt tabletki. Kim mówi, że w poprzednich próbach wykorzystania nanocząstek magnetycznych wykorzystywano cząstki kuliste, ale efekt elektromagnetyczny był bardzo słaby. Kent dodaje, że kontrast ten zwiększa skurcz magnetyczny ponad 1000 razy.
Zespół najpierw dodał swoje nanodyski do hodowanych neuronów, co następnie umożliwiło aktywację tych komórek na żądanie za pomocą krótkich impulsów pola magnetycznego. Stymulacja ta nie wymagała żadnych modyfikacji genetycznych.
Następnie wstrzyknęli małe krople roztworu nanodysku elektromagnetycznego w określone obszary mózgu myszy. Dlatego samo włączenie stosunkowo słabego elektromagnesu w pobliżu powoduje, że cząsteczki uwalniają niewielki wstrząs elektryczny do tego obszaru mózgu.
Stymulację można włączać i wyłączać zdalnie, przełączając elektromagnes. Ta stymulacja elektryczna „miała wpływ na aktywność i zachowanie neuronów” – mówi Kim.
Zespół odkrył, że nanodyski elektromagnetyczne mogą stymulować obszar głęboko w mózgu, brzuszny obszar nakrywkowy, powiązany z uczuciem nagrody.
Zespół stymulował także inny obszar mózgu, jądro podwzgórzowe, które jest powiązane z kontrolą motoryczną.
„To jest obszar, w którym zazwyczaj wszczepia się elektrody w celu leczenia choroby Parkinsona” – wyjaśnia Kim.
Naukowcom udało się z powodzeniem zademonstrować modyfikację sterowania silnikiem za pomocą cząstek. W szczególności, wstrzykując nanodyski tylko w jedną półkulę, badacze byli w stanie wywołać rotację u zdrowych myszy poprzez przyłożenie pola magnetycznego.
Nanodyski mogą wyzwalać aktywność neuronalną porównywalną z tradycyjnymi wszczepionymi elektrodami, które zapewniają łagodną stymulację elektryczną. Za pomocą swojej metody badacze osiągnęli rozdzielczość czasową stymulacji neuronów wynoszącą mniej niż sekundę, ale zaobserwowali znacznie zmniejszoną reakcję na ciało obce w porównaniu z elektrodami, co może pozwolić na bezpieczniejszą głęboką stymulację mózgu.
Wielowarstwowy skład chemiczny, kształt i rozmiar fizyczny nowych wielowarstwowych nanodysków umożliwiły mikrokatalizę.
Chociaż naukowcom udało się zwiększyć efekt cofania magnetycznego, druga część procesu, polegająca na przekształceniu efektu magnetycznego na moc elektryczną, nadal wymaga więcej pracy, mówi Anikieva.
Chociaż odpowiedź magnetyczna była tysiąc razy większa, konwersja na impuls elektryczny była tylko czterokrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych cząstek kulistych.
„Ta ogromna, tysiąckrotna poprawa nie została jeszcze w pełni przełożona na wzmocnienie elektromagnetyczne” – mówi Kim.
„W tym miejscu skupi się wiele przyszłych prac, mających na celu zapewnienie, że tysiąckrotne wzmocnienie w zwężeniu magnetycznym można przekształcić w tysiąckrotne wzmocnienie w sprzężeniu elektromagnetycznym”.
Odkrycie zespołu dotyczące sposobu, w jaki kształty cząstek wpływają na ich skurcz magnetyczny, było zupełnie nieoczekiwane.
„To coś nowego, co właśnie wyszło na jaw, gdy próbowaliśmy dowiedzieć się, dlaczego te cząstki działają tak dobrze” – mówi Kent.
„Tak, to cząstka rekordowa, ale nie tak rekordowa, jak powinna” – dodaje Anikieva. Pozostaje to tematem dalszych prac, ale zespół ma pomysły, jak poczynić dalsze postępy.
Chociaż w zasadzie możliwe jest zastosowanie tych nanodysków już w badaniach podstawowych z wykorzystaniem modeli zwierzęcych, przełożenie ich na zastosowanie kliniczne u ludzi będzie wymagało kilku dalszych kroków, w tym badań bezpieczeństwa na dużą skalę, „coś, do czego badacze akademiccy niekoniecznie mają odpowiednią wiedzę” „Dobra sytuacja.” „Muszę” – mówi Anikieva.
„Kiedy odkryjemy, że te cząstki są naprawdę przydatne w konkretnym kontekście klinicznym, wyobrażamy sobie, że będzie dla nich możliwość poddania ich bardziej rygorystycznym badaniom dotyczącym bezpieczeństwa na dużych zwierzętach”.
W skład zespołu weszli naukowcy związani z wydziałami nauki i inżynierii materiałowej MIT, elektrotechniki i informatyki, chemii oraz nauk o mózgu i kognitywistyce; Laboratorium Badań Elektroniki. Instytut Badań nad Mózgiem McGoverna; Instytut Kocha ds. Integracyjnych Badań nad Rakiem; Z Uniwersytetu Friedricha Alexandra w Erlangen w Niemczech.
Finansowanie: Prace te były częściowo wspierane przez National Institutes of Health, National Center for Complementary and Integrative Health, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, McGovern Institute for Brain Research oraz K. Lisa Yang i Hawke E. Tan Centrum Terapii Molekularnej w Neuronauce.
O nowościach z badań neurotechnologicznych
autor: Davida L. Chandlera
źródło: Instytut Technologii Massachusetts
komunikacja: David L. Chandler – Instytut Technologii Massachusetts
obraz: Zdjęcie przypisane Neuroscience News
Oryginalne wyszukiwanie: Otwarty dostęp.
„Nanodyski elektromagnetyczne umożliwiają bezprzewodową neuromodulację bez genów” Napisane przez Polinę Anikievę i in. Nanotechnologia natury
podsumowanie
Nanodyski elektromagnetyczne umożliwiają bezprzewodową neuromodulację bez genów
Głęboka stymulacja mózgu za pomocą wszczepionych elektrod zmieniła badania neurologiczne i leczenie schorzeń neuropsychiatrycznych. Odkrycie mniej inwazyjnych alternatyw dla głębokiej stymulacji mózgu mogłoby poszerzyć jego zastosowania kliniczne i badawcze. Badano konwersję pól magnetycznych za pośrednictwem nanomateriałów w potencjały elektryczne jako metodę zdalnej neuromodulacji.
Tutaj syntetyzujemy nanodyski elektromagnetyczne (MEND) przy użyciu Fe z podwójną powłoką3Hej4-kawa2Hej4-Patio3 Struktura (średnica 250 nm i grubość 50 nm) z wydajnym sprzężeniem elektromagnetycznym.
Silną reakcję na stymulację polem magnetycznym stwierdzamy w neuronach ozdobionych MEND o gęstości 1 μg mm-2 Chociaż potencjały pojedynczych cząstek są poniżej progu pobudzenia neuronowego. Proponujemy model nawracającej depolaryzacji podprogowej, który wraz z teorią kabla potwierdza nasze obserwacje in vitro i informuje o stymulacji elektromagnetycznej in vivo.
Wstrzykuje się go w brzuszną okolicę nakrywki lub jądro podwzgórza genetycznie prawidłowych myszy w stężeniu 1 mg.-1MEND umożliwiają zdalną kontrolę odpowiednio zachowań związanych z nagrodą lub motoryką.
Odkrycia te torują drogę do udoskonalenia mechaniki neuromodulacji elektromagnetycznej w kierunku zastosowań w badaniach neurologicznych.
