Магнитоэлектрические нанодиски: безымплантная стимуляция мозга
Новые магнитные нанодиски могут стать гораздо менее инвазивным способом стимуляции участков мозга, открывая путь для терапии без имплантов или генетической модификации.
Учёные предполагают, что крошечные диски диаметром около 250 нанометров будут вводиться непосредственно в нужную область мозга. После этого их можно активировать в любой момент с помощью магнитного поля, приложенного извне.
Разработка описана в журнале Nature Nanotechnology в статье профессора MIT Полины Аникеевой, аспирантки Ye Ji Kim и 17 других соавторов.
Проблема существующих методов
Глубокая стимуляция мозга (DBS) — распространённая процедура с использованием имплантированных электродов для лечения симптомов болезни Паркинсона и ОКР. Однако инвазивность метода ограничивает его применение. Существующие безымплантные методы часто имеют низкое пространственное разрешение или не могут воздействовать на глубокие области. Магнитные методы, в свою очередь, требовали генетической модификации нейронов.
Принцип работы нанодисков
Нанодиски имеют двухслойное магнитное ядро и пьезоэлектрическую оболочку. Магнитное ядро является магнитострикционным: оно меняет форму при намагничивании. Эта деформация создаёт напряжение в пьезоэлектрической оболочке, что генерирует переменную электрическую поляризацию. Таким образом, частицы преобразуют магнитное поле в электрические импульсы, воздействующие на нейроны.
Ключевая роль формы
Ключевым фактором эффективности стала дискообразная форма частиц. Предыдущие попытки использовали сферические наночастицы, но магнитоэлектрический эффект был очень слабым. Анизотропия дисков усиливает магнитострикцию более чем в 1000 раз.
Экспериментальные результаты
- In vitro: Нанодиски, добавленные к культуре нейронов, позволили активировать клетки короткими импульсами магнитного поля без генетической модификации.
- In vivo (мыши): Инъекция раствора нанодисков в
определённые области мозга мышей и включение слабого электромагнита
вызывало локальный электрический разряд. Стимуляцию можно было включать
и выключать дистанционно.
- Стимуляция вентральной области покрышки (связана с чувством вознаграждения) влияла на активность нейронов и поведение.
- Стимуляция субталамического ядра (цель для DBS при болезни Паркинсона) позволила модулировать моторный контроль. Вводя диски только в одно полушарие, исследователи вызывали вращения у здоровых мышей с помощью магнитного поля.
Метод обеспечил субсекундную временную точность стимуляции, сравнимую с мягкой стимуляцией обычными имплантированными электродами, но с значительно сниженной реакцией на инородное тело.
Ограничения и будущая работа
Хотя магнитострикция усилилась в 1000 раз, преобразование магнитного эффекта в электрический выход увеличилось лишь в 4 раза по сравнению со сферическими частицами.
"Это рекордная частица, но не настолько рекордная, насколько могла бы быть", — отмечает Полина Аникеева.
Будущая работа будет сосредоточена на усилении магнитоэлектрической связи, чтобы тысячекратное усиление магнитострикции полностью преобразовывалось в электрический сигнал.
Перспективы применения
Нанодиски уже могут использоваться в фундаментальных исследованиях на животных моделях. Для перевода в клиническую практику для людей потребуются масштабные исследования безопасности, которые, как отмечает Аникеева, выходят за рамки возможностей академических исследователей.