kopsavilkums: Zinātnieki ir izstrādājuši magnētiskos nanodiskus, kas nodrošina mērķtiecīgu smadzeņu stimulāciju bez nepieciešamības pēc invazīviem implantiem vai ģenētiskām modifikācijām. Mazie diski, kurus aktivizē ārējs magnētiskais lauks, piegādā elektriskos impulsus nervu šūnām, parādot potenciālu neiroloģisko stāvokļu ārstēšanā.
Sākotnējie testi ar pelēm parādīja, ka šie nanodiski efektīvi stimulēja smadzeņu apgabalus, kas saistīti ar atlīdzību un motora kontroli, ar mazāku reakciju uz svešķermeņiem nekā tradicionālie implanti. Pētījums ir solis ceļā uz jaunām, mazāk invazīvām smadzeņu darbības traucējumu ārstēšanas metodēm.
Turpmāko uzlabojumu mērķis ir uzlabot disku elektrisko impulsu izvadi, lai nodrošinātu lielāku efektivitāti. Ar turpmākiem pētījumiem šie nanodiski varētu kļūt par vērtīgiem instrumentiem neiroloģiskā pētniecībā un ārstēšanā.
Galvenie fakti:
- Nanodiski nodrošina elektrisku stimulāciju, kad tos aktivizē ārējs magnēts.
- Pārbaudes, kas veiktas ar pelēm, uzrādīja efektīvu smadzeņu zonu stimulāciju saistībā ar atalgojumu un motoriskajām funkcijām.
- Turpmākajos pētījumos galvenā uzmanība tiks pievērsta nanodisku elektriskās jaudas pastiprināšanai klīniskai lietošanai.
avots: Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts
Jauni magnētiskie nanodiski varētu nodrošināt daudz mazāk invazīvu veidu, kā stimulēt smadzeņu daļas, paverot ceļu stimulācijas procedūrām bez implantiem vai ģenētiskas modifikācijas, ziņo MIT pētnieki.
Zinātnieki paredz, ka mazie diski, aptuveni 250 nanometru platumā (apmēram 1/500 no cilvēka mata platuma), tiks ievadīti tieši vēlamajā smadzeņu vietā. No turienes tos var aktivizēt jebkurā laikā, vienkārši pieliekot magnētisko lauku ārpus ķermeņa.
Jaunās daļiņas varētu ātri atrast pielietojumu biomedicīnas pētījumos, un galu galā pēc pietiekamas pārbaudes tās varētu izmantot klīniskai lietošanai.
Šo nanodaļiņu attīstība ir aprakstīta žurnālā Dabas nanotehnoloģijasPoļinas Anikijevas, MIT Materiālzinātnes un inženierzinātņu un smadzeņu un kognitīvo zinātņu katedras profesores, maģistrantūras studentes Yi Ji Kim un 17 citu MIT un Vācijas rakstā.
Dziļā smadzeņu stimulācija (DBS) ir izplatīta klīniska procedūra, kurā tiek izmantoti elektrodi, kas implantēti mērķtiecīgās smadzeņu zonās, lai ārstētu neiropsihisku stāvokļu simptomus, piemēram, Parkinsona slimību un obsesīvi-kompulsīvus traucējumus.
Neskatoties uz tās efektivitāti, ar DBS saistītās ķirurģiskās grūtības un klīniskās komplikācijas ierobežo to gadījumu skaitu, kad šāda invazīva procedūra ir pamatota. Jauni nanodiski varētu nodrošināt vienmērīgāku veidu, kā sasniegt tādus pašus rezultātus.
Pēdējo desmit gadu laikā ir izstrādātas citas metodes bez implantiem, lai radītu smadzeņu stimulāciju. Tomēr šīs metodes bieži ierobežoja to telpiskā izšķirtspēja vai spēja mērķēt uz dziļiem reģioniem.
Pēdējo desmit gadu laikā Anikeeva Bioelectronics grupa, kā arī citi šajā jomā ir izmantojuši nanomēroga magnētiskos materiālus, lai pārveidotu attālos magnētiskos signālus smadzeņu stimulācijā. Tomēr šīs magnētiskās metodes balstās uz ģenētiskām modifikācijām, un tās nevar izmantot cilvēkiem.
Tā kā visi neironi ir jutīgi pret elektriskajiem signāliem, Kims, Anikieva grupas absolvents, izvirzīja hipotēzi, ka elektromagnētiskais nanomateriāls, kas varētu efektīvi pārvērst magnetizāciju elektriskos potenciālos, varētu nodrošināt ceļu uz attālu magnētisku smadzeņu stimulāciju. Tomēr nanomēroga elektromagnētiskā materiāla izveide ir bijis milzīgs izaicinājums.
Kims samontēja jaunus elektromagnētiskos nanodiskus un sadarbojās ar Noa Kentu, Anikeeva laboratorijas pēcdoktorantūras pētnieku ar fizikas pieredzi un pētījuma otro autoru, lai izprastu šo daļiņu īpašības.
Jauno nanodisku struktūra sastāv no divslāņu magnētiskā serdeņa un pjezoelektriskā apvalka. Magnētiskais kodols ir magnetotrops, kas nozīmē, ka magnetizējot tas maina formu.
Pēc tam šī deformācija izraisa stresu pjezoelektriskajā apvalkā, kas rada dažādu elektrisko polarizāciju. Apvienojot abus efektus, šīs saliktās daļiņas var nogādāt elektriskos impulsus neironiem, ja tās tiek pakļautas magnētiskajiem laukiem.
Viena no tablešu efektivitātes atslēgām ir planšetdatora forma. Iepriekšējie magnētisko nanodaļiņu mēģinājumi izmantoja sfēriskas daļiņas, taču elektromagnētiskais efekts bija ļoti vājš, saka Kims. Kents piebilst, ka šis kontrasts uzlabo magnētisko kontrakciju vairāk nekā 1000 reižu.
Komanda vispirms pievienoja savus nanodiskus kultivētajiem neironiem, kas pēc tam ļāva šīs šūnas aktivizēt pēc pieprasījuma, izmantojot īsus magnētiskā lauka impulsus. Šai stimulācijai nebija nepieciešama ģenētiska modifikācija.
Pēc tam viņi injicēja mazus elektromagnētiskā nanodisku šķīduma pilienus noteiktās peļu smadzeņu zonās. Tādējādi, vienkārši ieslēdzot salīdzinoši vāju elektromagnētu tuvumā, daļiņas atbrīvo nelielu elektrības triecienu šajā smadzeņu zonā.
Stimulāciju var ieslēgt un izslēgt attālināti, pārslēdzot elektromagnētu. Šī elektriskā stimulācija “ietekmēja neironu aktivitāti un uzvedību,” saka Kims.
Komanda atklāja, ka elektromagnētiskie nanodiski var stimulēt zonu dziļi smadzenēs, ventrālo tegmentālo zonu, kas saistīta ar atlīdzības sajūtu.
Komanda arī stimulēja citu smadzeņu apgabalu, subtalāmu kodolu, kas ir saistīts ar motora vadību.
“Šī ir vieta, kur parasti tiek implantēti elektrodi, lai ārstētu Parkinsona slimību,” skaidro Kims.
Pētnieki varēja veiksmīgi demonstrēt motora vadības modifikāciju, izmantojot daļiņas. Konkrēti, injicējot nanodiskus tikai vienā puslodē, pētnieki varēja izraisīt rotāciju veselām pelēm, izmantojot magnētisko lauku.
Nanodiski var izraisīt neironu aktivitāti, kas ir salīdzināma ar tradicionālajiem implantētajiem elektrodiem, kas nodrošina vieglu elektrisko stimulāciju. Izmantojot savu metodi, pētnieki sasniedza nervu stimulācijas laika izšķirtspēju, kas ir mazāka par sekundi, taču novēroja ievērojami samazinātu svešķermeņu reakciju salīdzinājumā ar elektrodiem, kas var nodrošināt drošāku dziļu smadzeņu stimulāciju.
Jauno daudzslāņu nanodisku daudzslāņu ķīmiskais sastāvs, forma un fiziskais izmērs ir tas, kas padarīja iespējamu mikrokatalīzi.
Lai gan pētniekiem ir izdevies palielināt magnētiskās ievilkšanas efektu, procesa otrajā daļā, pārvēršot magnētisko efektu elektriskajā izvadē, joprojām ir nepieciešams vairāk darba, saka Anikieva.
Lai gan magnētiskā reakcija bija tūkstoš reižu lielāka, pārvēršanās elektriskajā impulsā bija tikai četras reizes lielāka nekā ar parastajām sfēriskām daļiņām.
“Šis milzīgais tūkstoškārtīgs uzlabojums vēl nav pilnībā pārvērsts elektromagnētiskajā uzlabošanā,” saka Kims.
“Šajā vietā tiks koncentrēts liels turpmākais darbs, lai nodrošinātu, ka tūkstoškārtēju pastiprinājumu magnētiskajā sašaurinājumā var pārveidot par tūkstoškārtīgu pastiprinājumu elektromagnētiskajā savienojumā.”
Tas, ko komanda atklāja attiecībā uz to, kā daļiņu formas ietekmē to magnētisko kontrakciju, bija pilnīgi negaidīts.
“Tas ir kaut kas jauns, kas tikko parādījās, kad mēģinājām noskaidrot, kāpēc šīs daļiņas darbojas tik labi,” saka Kents.
“Jā, tā ir rekordliela daļiņa, taču tā nav tik rekorda, kā vajadzētu,” piebilst Anikieva. Šī paliek tēma turpmākajam darbam, taču komandai ir idejas, kā virzīties tālāk.
Lai gan principā šos nanodiskus jau ir iespējams pielietot fundamentālajos pētījumos, izmantojot dzīvnieku modeļus, lai tos izmantotu klīniskai lietošanai cilvēkiem, būs nepieciešami vairāki turpmāki soļi, tostarp liela mēroga drošības pētījumi, “akadēmiskajiem pētniekiem ne vienmēr ir vajadzīgas zināšanas. .” “Laba situācija.” “Man tas ir jādara,” saka Anikieva.
“Kad mēs atklājam, ka šīs daļiņas ir patiesi noderīgas konkrētā klīniskajā kontekstā, mēs domājam, ka tām būs iespēja veikt stingrākus lielu dzīvnieku drošības pētījumus.”
Komandas sastāvā bija pētnieki, kas saistīti ar MIT Materiālzinātnes un inženierzinātņu, Elektrotehnikas un datorzinātņu, ķīmijas un smadzeņu un kognitīvo zinātņu katedrām; Elektronikas pētniecības laboratorija. McGovern Brain Research Institute; Koha Integratīvās vēža pētniecības institūts; No Frīdriha Aleksandra universitātes Erlangenā, Vācijā.
Finansējums: Šo darbu daļēji atbalstīja Nacionālie veselības institūti, Nacionālais komplementārās un integratīvās veselības centrs, Nacionālais neiroloģisko traucējumu un insulta institūts, Makgoverna smadzeņu pētniecības institūts un K. Liza Janga un Hoks E. Tan centrs Molekulārās terapijas neiroloģijas jomā.
Par neirotehnoloģiju pētniecības jaunumiem
autors: Deivids L. Čendlers
avots: Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts
komunikācija: Deivids L. Čendlers — Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts
attēls: Attēls pievienots Neuroscience News
Sākotnējā meklēšana: Atvērta piekļuve.
“Elektromagnētiskie nanodiski nodrošina bezvadu neiromodulāciju bez gēnu” Rakstīja Poļina Aņikijeva u.c. Dabas nanotehnoloģijas
kopsavilkums
Elektromagnētiskie nanodiski nodrošina bezvadu neiromodulāciju bez gēnu
Dziļa smadzeņu stimulācija, izmantojot implantētus elektrodus, ir pārveidojusi neirozinātnes pētījumus un neiropsihiatrisko stāvokļu ārstēšanu. Mazāk invazīvu alternatīvu atklāšana dziļai smadzeņu stimulācijai varētu paplašināt tās klīnisko un pētniecības pielietojumu. Nanomateriālu izraisītu magnētisko lauku pārvēršana elektriskos potenciālos ir pētīta kā attālas neiromodulācijas līdzeklis.
Šeit mēs sintezējam elektromagnētiskos nanodiskus (MEND), izmantojot dubultā apvalka Fe3Čau4-kafija2Čau4-Patiess3 Struktūra (diametrs 250 nm un biezums 50 nm) ar efektīvu elektromagnētisko savienojumu.
Mēs atrodam spēcīgu reakciju uz magnētiskā lauka stimulāciju neironos, kas dekorēti ar MEND ar blīvumu 1 μg mm-2 Lai gan atsevišķu daļiņu potenciāls ir zem nervu ierosmes sliekšņa. Mēs piedāvājam atkārtotas apakšsliekšņa depolarizācijas modeli, kas kopā ar kabeļu teoriju atbalsta mūsu novērojumus in vitro un informē par elektromagnētisko stimulāciju in vivo.
To injicē ģenētiski normālu peļu ventrālajā tegmentālajā zonā vai subtalāma kodolā 1 mg koncentrācijā.-1MEND ļauj attālināti kontrolēt attiecīgi atlīdzības vai motora uzvedību.
Šie atklājumi paver ceļu elektromagnētiskās neiromodulācijas mehānikas uzlabošanai pret pielietojumu neirozinātnes pētniecībā.
