麻省理工学院（MIT）的科学家们开发了一种新的非侵入性脑刺激方法，这可能为未来的神经调节治疗铺平了道路。这种方法使用一种新型的磁性纳米圆盘，这些纳米圆盘直径仅约250纳米（大约是人类头发宽度的1/500），可以通过磁场激活，无需植入物或基因改造。
科学家们设想，这些微小的圆盘将被直接注入大脑中所需的位置。从那里，只需在体外施加磁场即可随时激活它们。这些新型纳米颗粒有望在生物医学研究中找到快速应用，并最终经过充分测试后可能应用于临床用途。这项纳米颗粒的开发在《自然纳米技术》杂志上的论文中有所描述，论文作者包括MIT材料科学与工程系和大脑与认知科学系的教授Polina Anikeeva，研究生Ye Ji Kim，以及17名其他MIT和德国的研究人员。
深脑刺激（DBS）是一种常见的临床程序，使用植入目标大脑区域的电极来治疗帕金森病和强迫症等神经和精神疾病症状。尽管其效果显著，但DBS的手术难度和临床并发症限制了这种侵入性程序的应用范围。新的纳米圆盘可能提供了一种更温和的实现同样效果的方法。
过去十年中，已经开发出其他无需植入物的产生脑刺激的方法。然而，这些方法通常受到其空间分辨率或靶向深部区域的能力的限制。在过去十年中，Anikeeva的生物电子学小组以及该领域的其他人使用磁性纳米材料将远程磁信号转化为脑刺激。然而，这些磁性方法依赖于基因改造，并且不能用于人类。
由于所有神经细胞都对电信号敏感，Kim，Anikeeva小组的研究生，假设一种磁电纳米材料可以有效地将磁化转化为电势，可以为远程磁脑刺激提供一种途径。然而，制造一种纳米尺度的磁电材料是一个巨大的挑战。Kim合成了新型的磁电纳米圆盘，并与Noah Kent合作，后者是Anikeeva实验室的博士后，具有物理学背景，是这项研究论文的第二作者，以了解这些粒子的特性。
新型纳米圆盘的结构由一个双层磁芯和一个压电壳组成。磁芯是磁致伸缩的，这意味着它在磁化时改变形状。这种变形随后在压电壳中产生应变，产生变化的电极化。通过这两种效应的结合，这些复合粒子在暴露于磁场时可以向神经元输送电脉冲。
圆盘形状是圆盘有效性的关键之一。Kim说，以前的尝试使用磁性纳米颗粒使用了球形颗粒，但磁电效应非常弱。Kent补充说，这种各向异性增强了磁致伸缩超过1000倍。团队首先将纳米圆盘添加到培养的神经元中，这允许他们用短暂的磁场脉冲按需激活这些细胞。这种刺激不需要任何基因改造。
然后，他们将磁电纳米圆盘溶液的小滴注入小鼠大脑的特定区域。然后，只需打开附近的一个相对较弱的电磁铁，就能触发粒子在该脑区释放微小的电脉冲。通过电磁铁的开关可以远程打开和关闭刺激。这种电刺激“对神经元活动和行为有影响”，Kim说。团队发现磁电纳米圆盘可以刺激与奖励感相关的深脑区域，腹侧被盖区。
团队还刺激了另一个与运动控制相关的脑区，亚丘脑核。“这是电极通常被植入以管理帕金森病的区域，”Kim解释说。研究人员能够通过粒子成功地展示运动控制的调节。具体来说，通过仅在一侧半球注射纳米圆盘，研究人员可以通过施加磁场使健康小鼠旋转。
纳米圆盘可以触发与常规植入电极提供轻微电刺激相当的神经元活动。作者使用这种方法实现了亚秒级的时间精度进行神经刺激，同时观察到与电极相比明显减少了异物反应，可能允许更安全深脑刺激。新型多层纳米圆盘的多层化学成分和物理形状和大小使得精确刺激成为可能。
虽然研究人员成功地增加了磁致伸缩效应，但过程的第二部分，将磁效应转化为电输出，仍需要更多工作，Anikeeva说。虽然磁响应增加了千倍，但与传统球形颗粒相比，转化为电脉冲的增加只有四倍。“这种千倍的巨大增强并没有完全转化为磁电增强，”Kim说。“这是未来工作将集中关注的领域，以确保千倍的磁致伸缩放大可以转化为千倍的磁电耦合放大。”
团队发现的粒子形状如何影响其磁致伸缩的方式是相当意外的。“这是我们试图弄清楚这些粒子为什么工作得这么好时突然出现的新事物，”Kent说。
Anikeeva补充说：“是的，这是一个破纪录的粒子，但它并不像它可能的那样破纪录。”这仍然是进一步工作的主题，但团队有关于如何取得进一步进展的想法。
虽然这些纳米圆盘原则上已经可以应用于使用动物模型的基础研究，但要将它们转化为人类的临床应用将需要更多步骤，包括大规模的安全研究，“这是学术研究人员不一定最擅长做的事情，”Anikeeva说。“当我们发现这些粒子在特定的临床环境中确实有用时，我们想象会有途径让它们进行更严格的大型动物安全研究。”
这项在磁电纳米圆盘领域的突破，为神经调节治疗提供了新的可能性。随着这种新方法的进一步研究和应用，我们有望在脑刺激技术领域取得更大的进步。我们邀请您在评论区分享您对这项技术的看法，以及它可能对神经调节治疗和生物医学研究带来的影响。
参考资料：DOI： 10.1038/s41565-024-01798-9
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