创新纳米圆盘为深部脑刺激提供了侵入性较小的方法

　　

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更小的刺激大脑部分的方法，为无需植入或基因改造的刺激疗法铺平了道路。

科学家们设想，这种直径约为250纳米（约为人类头发宽度的1/500）的小圆盘将被直接注射到大脑中所需的位置。在那里，只要在体外施加一个磁场，它们就可以随时被激活。这种新粒子可能很快在生物医学研究中得到应用，最终，在经过充分的测试后，可能会应用于临床。

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

脑深部刺激（DBS）是一种常见的临床治疗方法，它将电极植入目标大脑区域，以治疗神经和精神疾病的症状，如帕金森病和强迫症。尽管其有效，但与DBS相关的手术难度和临床并发症限制了这种侵入性手术的数量。新的纳米片可以提供一种更温和的方式来达到同样的结果。

在过去的十年里，已经开发出了其他无植入物的大脑刺激方法。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研究人员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修饰，不能用于人类。

因为所有的神经细胞都对电信号敏感，Kim， Anikeeva小组的一名研究生，假设一种磁电纳米材料可以有效地将磁化转化为电位，这可能为远程磁脑刺激提供了一条途径。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圆盘，并与Noah Kent合作，Noah Kent是Anikeeva实验室的博士后，具有物理学背景，是该研究的第二作者，以了解这些粒子的特性。

新型纳米片的结构由两层磁芯和压电壳组成。磁芯是磁致伸缩的，这意味着它被磁化后会改变形状。这种变形随后在压电壳中引起应变，从而产生变化的电极化。通过这两种效应的结合，当暴露在磁场中时，这些复合粒子可以向神经元传递电脉冲。

圆盘效果的一个关键是它们的圆盘形状。Kim说，以前使用磁性纳米颗粒的尝试使用的是球形颗粒，但是磁电效应非常弱。Kent补充说，这种各向异性将磁致伸缩提高了1000倍以上。

研究小组首先将他们的纳米圆盘添加到培养的神经元中，这使得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，他们将磁电纳米片溶液的小滴注入小鼠大脑的特定区域。然后，只需打开附近一个相对较弱的电磁体，就能触发这些粒子，在大脑的那个区域释放出微小的电流。通过电磁铁的开关，可以远程控制刺激的开启和关闭。这种电刺激“对神经元的活动和行为产生了影响，”Kim说。

研究小组发现，磁电纳米圆盘可以刺激大脑深部区域，即腹侧被盖区，该区域与奖励感有关。

研究小组还刺激了另一个与运动控制有关的大脑区域——丘脑下核。“这是电极通常被植入的区域，以控制帕金森病，”Kim解释说。研究人员成功地演示了通过粒子对电机控制的调制。具体来说，通过在一个半球注射纳米圆盘，研究人员可以通过施加磁场在健康小鼠中诱导旋转。

纳米圆盘可以触发神经元活动，与传统的植入电极产生轻微的电刺激相当。作者通过他们的方法实现了亚秒级的神经刺激时间精度，但与电极相比，他们观察到的异物反应明显减少，这可能会使深部脑刺激更安全。

新型多层纳米圆盘的多层化学成分、物理形状和尺寸使精确的刺激成为可能。

Anikeeva说，虽然研究人员成功地增加了磁致伸缩效应，但该过程的第二部分，即将磁效应转化为电输出，仍然需要更多的工作。虽然磁响应是传统球形粒子的一千倍，但转换为电脉冲的速度仅是传统球形粒子的四倍。

“这种一千倍的巨大增强并没有完全转化为磁电增强，”Kim说。“这是未来许多工作的重点，确保磁致伸缩的1000倍放大可以转化为磁电耦合的1000倍放大。”

就粒子形状影响磁致伸缩的方式而言，研究小组的发现是相当出乎意料的。肯特说：“当我们试图弄清楚为什么这些粒子工作得这么好时，这是一种新事物。”麻省理工学院教授Polina Anikeeva说：“是的，这是一个破纪录的粒子，但它并没有破纪录。”

这仍然是一个有待进一步研究的课题，但该团队对如何取得进一步进展有一些想法。

虽然这些纳米圆盘原则上已经可以应用于动物模型的基础研究，但将它们转化为人类临床应用还需要几个步骤，包括大规模的安全性研究，“这是学术研究人员不一定最擅长做的事情，”Anikeeva说。“当我们发现这些颗粒在特定的临床环境中确实有用时，我们就会想到，它们将有途径进行更严格的大型动物安全研究。”