创新的磁性纳米盘可能提供一种显著 moins 侵入性的大脑刺激方法，从而导致不需要植入物或基因改变的治疗选择，正如麻省理工学院的研究人员所报告的那样。
研究人员认为，这些直径约 250 纳米（大约是人类头发厚度的 1/500）的微小盘可能会被直接注射到大脑的目标区域。一旦注射，它们可以通过应用体外的磁场在任何时刻激活。这些新颗粒可能很快会在生物医学研究中找到应用，并经过足够的测试后，可能会被采纳用于临床使用。
关于这些纳米粒子的发现已在《自然纳米技术》期刊上详细介绍，研究由麻省理工学院材料科学与工程以及脑与认知科学的教授 Polina Anikeeva 及研究生 Ye Ji Kim 和来自麻省理工学院及德国的 17 名其他研究人员共同撰写。
深脑刺激（DBS）是一种广泛接受的临床方法，在特定大脑区域植入电极，以缓解帕金森病和强迫症等神经和精神障碍的症状。尽管 DBS 有效，但手术的挑战和潜在的并发症限制了其适用性。新开发的纳米盘可能提供一种远不如以往侵入性的替代方案，以实现类似的效果。
近年来，出现了各种替代的非侵入性大脑刺激方法。然而，许多技术在深层大脑区域的精确定位上遭遇困难。在过去十年中，Anikeeva 的生物电子学小组和其他小组一直试图利用磁性纳米材料将外部磁信号转化为大脑刺激。不幸的是，这些方法需要基因改造，使其不适合人类应用。
鉴于所有神经细胞都对电信号做出反应，Anikeeva 实验室的研究生 Kim 提出了一种能够有效将磁化转换为电势的磁电纳米材料的想法，可能会导致一种可行的远程磁性大脑刺激方法。然而，制造这样纳米级的磁电材料被证明是一个巨大的挑战。
Kim 开始创建创新的磁电纳米盘，并与 Anikeeva 实验室的物理学博士后研究员 Noah Kent 合作，研究这些颗粒的特性。
新纳米盘的结构具有一个两层的磁心，包裹在压电外壳中。磁心表现出磁致伸缩，意味着在暴露于磁场时，它的形状会发生变化。这种转变在压电外壳中引发应变，导致电极化的波动。通过结合这两个效果，复合颗粒能够在响应磁场时向神经元施加电信号。
这些盘的有效性关键因素是它们的形状。根据 Kim 的说法，之前的尝试使用的是球形磁性纳米颗粒，其磁电效应较弱。新的盘形状提升了磁致伸缩的效果超过 1000 倍，Kent 指出。
研究人员首先将纳米盘引入培养的神经元，使它们能够根据需要使用短暂的磁场脉冲刺激这些细胞。值得注意的是，这种刺激不需要任何基因改变。
他们随后将少量磁电纳米盘溶液注射到老鼠大脑的目标区域。通过激活一个相对较弱的附近电磁铁，这些颗粒在特定大脑区域释放出轻微的电冲动。可以通过切换电磁铁远程开关此刺激。根据 Kim 的说法，这种电活动“影响了神经元的功能和行为”。
研究团队发现，磁电纳米盘可以刺激深层大脑区域，特别是与奖励感相关的腹侧被盖区。
他们还针对另一个关键区域，丘脑下核，该区域与运动控制相关。Kim 解释道：“这是通常植入电极以处理帕金森病的区域。”研究人员成功地展示了他们利用纳米盘调节运动控制的能力。通过只注射到大脑一侧，他们能够通过施加磁场使健康老鼠旋转。
纳米盘刺激的神经活动可与传统植入电极提供轻度电信号的效果相媲美。作者通过这种方法实现了神经刺激的快速时间精度，并表明与传统电极相比，外来物质反应明显较低，可能提高深脑刺激的安全性。
这些多层纳米盘独特的化学结构和物理特性使得精确刺激成为可能。
尽管研究人员成功地改善了磁致伸缩效果，但根据 Anikeeva 的说法，过程的第二部分——将磁效应转化为电输出——仍需进一步增强。尽管磁响应强度比标准球形颗粒强上千倍，电冲动的转换仅比标准颗粒略高出四倍。
“这种千倍的巨大增加尚未完全转化为增强的磁电输出，”Kim 表示。“这一领域将是未来研究的关键焦点，确保磁致伸缩的显著增强转化为相应的磁电耦合增强。”
关于颗粒形状如何影响它们的磁致伸缩的意外发现令团队感到惊讶。“这是我们研究这些颗粒的有效性时出现的全新方面，”Kent 指出。
Anikeeva 说道：“是的，我们有一个开创性的颗粒，但它仍然蕴藏着更大进展的潜力。”这仍然是一个持续研究的话题，团队正在产生未来进展的想法。
尽管这些纳米盘在理论上可以用于动物模型的基础研究，但将它们转化为人类使用将需要多个额外步骤，包括广泛的安全评估，正如 Anikeeva 指出。“当我们确认这些颗粒在特定临床背景下确实有利时，我们预期它们能够在更大动物研究中进行更严格的安全试验。”
研究团队包括来自麻省理工学院材料科学与工程、电气工程与计算机科学、化学和脑与认知科学系的成员；电子研究实验室；麦戈文脑研究所；以及科赫整合癌症研究所，此外还有来自德国埃尔朗根-纽伦堡大学的合作伙伴。该研究得到了国家卫生研究院、国家互补与综合健康中心、国家神经障碍与中风研究所、麦戈文脑研究所和 K. Lisa Yang 及 Hock E. Tan 神经科学分子治疗中心的支持。
