Nature Nanotechnology: Нанодиски для стимуляции мозга заменят инвазивные электроды

Новые магнитные нанодиски разработали учёные из Массачусетского технологического института. Они могут обеспечить менее инвазивный способ стимуляции отдельных участков мозга — без имплантатов или генетических изменений.

Нанодиски размером около 250 нанометров будут вводиться сразу в нужное место в мозге. После этого их можно активировать в любое время с помощью магнитного поля вне тела. Эти частицы могут быть полезны для биомедицинских исследований, а после испытаний их уже можно будет использовать в лечении пациентов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology; авторы — Полина Аникеева, профессор факультетов материаловедения и инженерии и наук о мозге и когнитивных наук Массачусетского технологического института, аспирант Е Чжи Ким и другие.

Глубокая стимуляция мозга (ГСМ) — это процедура, в которой для лечения неврологических и психических заболеваний используются электроды.

Из-за хирургических сложностей и возможных осложнений ГСМ применяется с осторожностью. Но есть альтернатива — новые нанодиски, которые могут обеспечить те же результаты без вреда для пациента.

За последние десять лет были созданы и другие методы стимуляции мозга без имплантов. Но эти подходы не всегда могли воздействовать на глубокие области мозга или имели ограниченное пространственное разрешение.

Учёные из группы Аникеевой по биоэлектронике, а также другие специалисты использовали магнитные наноматериалы для преобразования магнитных сигналов в стимуляцию мозга. Однако эти методы требовали генетических модификаций и не подходили для людей.

Поскольку все нервные клетки чувствительны к электрическим сигналам, Ким, аспирант из группы Аникеевой, предположила, что магнитоэлектрический наноматериал может предложить путь к дистанционной магнитной стимуляции мозга. Однако создать такой материал оказалось сложной задачей.

Ким синтезировала новые магнитоэлектрические нанодиски и вместе с физиком Ноа Кентом, постдоком из лаборатории Аникеевой, изучила свойства этих частиц.

Структура новых нанодисков состоит из двухслойного магнитного ядра и пьезоэлектрической оболочки. Магнитное ядро деформируется при намагничивании, что вызывает напряжение в пьезоэлектрической оболочке и приводит к изменению электрической поляризации. Благодаря этому композитные частицы могут подавать электрические импульсы на нейроны под воздействием магнитного поля.

Форма дисков играет важную роль в их эффективности. Предыдущие попытки использовать сферические магнитные наночастицы не были успешными, так как магнитоэлектрический эффект был слабым. Анизотропия усиливает магнитострикцию более чем в 1000 раз.

Команда исследователей добавила нанодиски в нейроны, которые можно было активировать короткими импульсами магнитного поля. Это не требовало генетической модификации.

Затем ученые ввели раствор магнитоэлектрических нанодисков в определённые области мозга мышей. Включая и выключая электромагнит рядом с мышами, они стимулировали эти области крошечными электрическими импульсами. Такая стимуляция влияла на активность нейронов и, соответственно, на поведение мышей.

Учёные выяснили, что магнитоэлектрические нанодиски могут стимулировать вентральную тегментальную зону мозга, которая связана с чувством вознаграждения.

Команда исследователей стимулировала субталамическое ядро — область мозга, связанную с двигательным контролем. Обычно в эту область вживляют электроды для лечения болезни Паркинсона.

Учёные успешно продемонстрировали модуляцию двигательного контроля с помощью частиц. Они ввели нанодиски только в одно полушарие мозга здоровых мышей и с помощью магнитного поля заставили их вращаться.

Нанодиски вызывали активность нейронов, сравнимую с обычной имплантацией электродов. Авторы добились субсекундной временной точности нейронной стимуляции и при этом наблюдали значительно меньшую реакцию организма на инородные тела по сравнению с электродами. Это может сделать глубокую стимуляцию мозга более безопасной.

Благодаря особому химическому составу, форме и размеру многослойных нанодисков удалось точно воздействовать на объект.

Исследователи смогли усилить магнитострикционный эффект. Однако вторая часть процесса — преобразование магнитного эффекта в электрический — требует доработки. Магнитный отклик был в тысячу раз больше, но преобразование в импульс было лишь в четыре раза сильнее, чем при использовании обычных сферических частиц.

Ким отмечает, что основная задача — добиться того, чтобы тысячекратное усиление магнитострикции приводило к такому же увеличению магнитоэлектрической связи.

Команда обнаружила, что форма частиц влияет на их магнитострикцию. Это стало неожиданностью.

«Это что-то новое», — говорит Кент.

Аникеева добавляет:

Да, это и без того рекордная по свойствам частица, но она могла бы быть ещё лучше. Команда будет продолжать работу над этим проектом.

Нанодиски уже можно применять в фундаментальных исследованиях на животных моделях. Однако для использования на людях потребуется провести масштабные исследования безопасности. Аникеева отмечает, что академические исследователи не всегда могут это сделать. Когда станет понятно, что частицы полезны в конкретном клиническом контексте, можно будет провести более точные исследования их безопасности на крупных животных.

11.10.2024