磁电纳米盘无需植入或基因改造即可提供远程脑刺激

麻省理工学院的研究人员报告称，新型磁性纳米盘可以提供一种侵入性小得多的刺激大脑部位的方法，为无需植入物或基因改造的刺激疗法铺平道路

科学家们设想，直径约为250纳米（约为人类头发宽度的1/500）的微小圆盘将被直接注射到大脑中所需的位置。从那里开始，只需在体外施加磁场，它们就可以随时被激活

新粒子可以很快在生物医学研究中得到应用，最终在经过充分测试后，可能会应用于临床

麻省理工学院材料科学与工程系和脑与认知科学系的教授Polina Anikeeva、研究生Ye Ji Kim以及麻省理工大学和德国的其他17人在《自然纳米技术》杂志上发表了一篇论文，描述了这些纳米颗粒的发展

深部脑刺激（DBS）是一种常见的临床程序，它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的症状

尽管DBS有效，但与DBS相关的手术难度和临床并发症限制了需要这种侵入性手术的病例数量。新的纳米盘可以提供一种更温和的方法来实现相同的结果

在过去的十年里，已经开发了其他无植入物的脑刺激方法。然而，这些方法往往受到其空间分辨率或针对深层区域的能力的限制

在过去的十年里，Anikeeva的生物电子学小组以及该领域的其他人都使用磁性纳米材料将远程磁信号转化为大脑刺激。然而，这些磁性方法依赖于基因改造，不能用于人类

由于所有神经细胞都对电信号敏感，Anikeeva小组的研究生Kim假设，一种可以有效地将磁化转化为电势的磁电纳米材料可以为远程磁脑刺激提供一条途径。然而，制造纳米级磁电材料是一项艰巨的挑战

Kim合成了新型磁电纳米盘，并与Anikeeva实验室的博士后Noah Kent合作，他具有物理学背景，是该研究的第二作者，以了解这些粒子的性质

新型纳米盘的结构由两层磁芯和压电壳组成。磁芯是磁致伸缩的，这意味着它在磁化时会改变形状。然后，这种变形在压电壳中引起应变，从而产生变化的极化

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传递电脉冲

光盘有效性的一个关键是它们的光盘形状。金说，之前使用磁性纳米粒子的尝试都是使用球形粒子，但磁电效应非常弱。Kent补充道，这种各向异性将磁致伸缩增强了1000多倍

该团队首先将他们的纳米盘添加到培养的神经元中，这使他们能够根据需要用短脉冲磁场激活这些细胞。这种刺激不需要任何基因改造

然后，他们将磁电纳米盘溶液的小液滴注射到小鼠大脑的特定区域。然后，只要打开附近相对较弱的电磁铁，就会触发粒子在大脑区域释放出微小的电流。刺激可以通过电磁铁的开关远程打开和关闭。金说，这种电刺激“对神经元活动和行为产生了影响”

研究小组发现，磁电纳米盘可以刺激与奖励感相关的大脑深层区域，即腹侧被盖区

该团队还刺激了另一个与运动控制相关的大脑区域，即丘脑底核。金解释说：“这是电极通常被植入以治疗帕金森病的区域。”。研究人员成功地证明了通过粒子对运动控制的调节。具体来说，通过仅在一个半球注射纳米盘，研究人员可以通过施加磁场诱导健康小鼠的旋转

纳米盘可以触发神经元活动，与传统的植入电极提供温和的电刺激相当。作者用他们的方法实现了神经刺激的亚秒级时间精度，但与电极相比，观察到异物反应显著降低，可能实现更安全的深部脑刺激

新型多层纳米盘的多层化学成分、物理形状和尺寸使精确刺激成为可能

Anikeeva说，虽然研究人员成功地增加了磁致伸缩效应，但将磁效应转化为电输出的过程的第二部分仍需要更多的工作。虽然磁响应比传统球形粒子大一千倍，但转化为电脉冲的能量仅是传统球形粒子的四倍

金说：“这种一千倍的巨大增强并没有完全转化为磁电增强。”。“这就是未来许多工作的重点，确保磁致伸缩中的千倍放大可以转换为磁电耦合中的一千倍放大。”

研究小组在粒子形状影响其磁致伸缩的方式方面发现的结果是出乎意料的。肯特说：“当我们试图弄清楚为什么这些粒子如此有效时，这是一种新事物。”

Anikeeva补充道：“是的，这是一个破纪录的粒子，但它并没有达到破纪录的程度。”这仍然是一个需要进一步研究的话题，但该团队对如何取得进一步进展有想法

Anikeeva说，虽然这些纳米盘原则上已经可以应用于使用动物模型的基础研究，但将其转化为人类的临床应用还需要几个步骤，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。”

“当我们发现这些颗粒在特定的临床环境中确实有用时，我们可以想象，它们将有一条途径进行更严格的大型动物安全研究。”