Ученые Массачусетского технологического института (MIT) разработали магнитные нанодиски, которые могут целенаправленно стимулировать мозг без необходимости инвазивных имплантатов или генетических модификаций. Эти крошечные диски, активируемые внешним магнитным полем, способны передавать электрические импульсы нейронам, что открывает новые перспективы в лечении неврологических заболеваний.
Первоначальные испытания на мышах показали, что нанодиски эффективно стимулируют области мозга, ответственные за вознаграждение и контроль движений, с меньшим количеством реакций инородного тела по сравнению с традиционными имплантатами. Исследование знаменует собой значительный шаг вперед в разработке менее инвазивных методов лечения заболеваний головного мозга.
Дальнейшие улучшения направлены на увеличение мощности электрических импульсов дисков для повышения их эффективности. При успешных дальнейших исследованиях эти нанодиски могут стать ценным инструментом в неврологических исследованиях и лечении.
Новые магнитные нанодиски могут обеспечить гораздо менее инвазивный способ стимуляции частей мозга, открывая путь к стимуляционной терапии без имплантатов или генетической модификации, согласно исследованиям MIT.
Ученые предполагают, что нанодиски диаметром около 250 нанометров (около 1/500 ширины человеческого волоса) будут вводиться непосредственно в нужное место в мозгу. Оттуда их можно будет активировать в любой момент, просто приложив магнитное поле вне тела.
Разработка этих наночастиц, описанная в журнале Nature Nanotechnology, может найти широкое применение в биомедицинских исследованиях и, в конечном итоге, после достаточных испытаний, может быть применена в клинической практике.
В заключение, разработка магнитных нанодисков представляет собой значительный прорыв в области стимуляции мозга, предлагая менее инвазивные и эффективные методы лечения неврологических заболеваний. Дальнейшие исследования и усовершенствования могут привести к их широкому клиническому применению.
Глубокая стимуляция мозга (DBS) и ее ограничения
Глубокая стимуляция мозга (DBS) — это распространенная клиническая процедура, в которой используются электроды, имплантированные в целевые области мозга, для лечения симптомов неврологических и психиатрических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и обсессивно-компульсивное расстройство.
Несмотря на свою эффективность, хирургические трудности и клинические осложнения, связанные с DBS, ограничивают количество случаев, когда такая инвазивная процедура оправдана. Новые нанодиски могут предложить гораздо более щадящий способ достижения тех же результатов.
Безимплантационные методы стимуляции мозга
За последнее десятилетие были разработаны другие безимплантационные методы стимуляции мозга, однако они часто были ограничены своим пространственным разрешением или способностью воздействовать на глубокие регионы.
В течение последнего десятилетия группа Аникеевой по биоэлектронике, а также другие специалисты в этой области использовали магнитные наноматериалы для преобразования удаленных магнитных сигналов в стимуляцию мозга. Однако эти методы основаны на генетических модификациях и не могут быть использованы на людях.
Разработка магнитоэлектрических нанодисков
Поскольку все нервные клетки чувствительны к электрическим сигналам, Ким, аспирант из группы Аникеевой, предположила, что магнитоэлектрический наноматериал, способный эффективно преобразовывать намагниченность в электрический потенциал, может открыть путь к дистанционной магнитной стимуляции мозга. Однако создание наноразмерного магнитоэлектрического материала оказалось сложной задачей.
Ким синтезировала новые магнитоэлектрические нанодиски и сотрудничала с Ноем Кентом, постдоком лаборатории Аникеевой с опытом работы в области физики и вторым автором исследования, чтобы понять свойства этих частиц.
Структура новых нанодисков состоит из двухслойного магнитного сердечника и пьезоэлектрической оболочки. Магнитный сердечник является магнитострикционным, то есть меняет форму при намагничивании. Эта деформация затем вызывает напряжение в пьезоэлектрической оболочке, что приводит к изменению электрической поляризации. Благодаря сочетанию этих двух эффектов, эти составные частицы могут доставлять электрические импульсы к нейронам при воздействии магнитных полей.
Эффективность и функциональность нанодисков
Одним из ключей к эффективности дисков является их форма. По словам Кима, в предыдущих попытках использовать магнитные наночастицы использовались сферические частицы, но магнитоэлектрический эффект был очень слабым. Эта анизотропия усиливает магнитострикцию более чем в 1000 раз, добавляет Кент.
Команда сначала добавила свои нанодиски к культивируемым нейронам, что позволило затем активировать эти клетки по требованию короткими импульсами магнитного поля. Эта стимуляция не требовала какой-либо генетической модификации.
Затем они ввели небольшие капли раствора магнитоэлектрических нанодисков в определенные области мозга мышей. Затем простое включение относительно слабого электромагнита поблизости заставило частицы выпустить крошечный разряд электричества в этой области мозга. Стимуляцию можно было включать и выключать дистанционно путем переключения электромагнита. Эта электрическая стимуляция «оказала влияние на активность нейронов и поведение», — говорит Ким.
Клинические перспективы
Команда обнаружила, что магнитоэлектрические нанодиски могут стимулировать глубокую область мозга, вентральную область покрышки, которая связана с чувством вознаграждения.
Команда также стимулировала другую область мозга — субталамическое ядро, связанное с контролем движений. «Это регион, куда обычно вживляют электроды для лечения болезни Паркинсона», — объясняет Ким. Исследователям удалось успешно продемонстрировать модуляцию двигательного контроля с помощью частиц. В частности, вводя нанодиски только в одно полушарие, исследователи смогли вызвать вращение у здоровых мышей, применяя магнитное поле.
Нанодиски могут вызывать активность нейронов, сравнимую с обычными имплантированными электродами, обеспечивающими мягкую электрическую стимуляцию. С помощью своего метода авторы достигли досекундной временной точности нейронной стимуляции, однако наблюдали значительно сниженную реакцию на инородное тело по сравнению с электродами, что потенциально позволяет проводить еще более безопасную глубокую стимуляцию мозга.
Заключение
Разработка магнитных нанодисков представляет собой значительный шаг вперед в области стимуляции мозга, предлагая менее инвазивные и эффективные методы лечения неврологических заболеваний. Достижения команды открывают новые перспективы для дальнейших исследований и возможного клинического применения.
Литература.
“Magnetoelectric nanodiscs enable wireless transgene-free neuromodulation” by Polina Anikeeva et al. Nature Nanotechnology
