Manyetik nanodiskler implant olmadan beyin uyarımı sağlar

özet: Bilim insanları, invaziv implantlara veya genetik modifikasyonlara ihtiyaç duymadan hedeflenen beyin stimülasyonunu mümkün kılan manyetik nanodiskler geliştirdiler. Harici bir manyetik alan tarafından etkinleştirilen minik diskler, sinir hücrelerine elektriksel uyarılar göndererek nörolojik rahatsızlıkların tedavisinde potansiyel olduğunu gösteriyor.

Farelerde yapılan ilk testler, bu nanodisklerin, geleneksel implantlara göre yabancı nesnelere daha az yanıt vererek, beynin ödül ve motor kontrolüyle ilişkili bölgelerini etkili bir şekilde uyardığını gösterdi. Çalışma, beyin bozuklukları için yeni, daha az invaziv tedavilere doğru bir adımı temsil ediyor.

Gelecekteki iyileştirmeler, daha fazla etkinlik için disklerin elektriksel darbe çıkışını geliştirmeyi amaçlamaktadır. Daha fazla araştırma ile bu nanodiskler nörolojik araştırma ve tedavilerde değerli araçlar haline gelebilir.

Temel gerçekler:

• Nanodiskler, harici bir mıknatıs tarafından etkinleştirildiğinde elektriksel uyarı sağlar.
• Fareler üzerinde yapılan testler, ödül ve motor işlevlerle ilgili beyin alanlarının etkili bir şekilde uyarıldığını gösterdi.
• Gelecekteki araştırmalar, klinik kullanım için nanodisklerin elektrik çıkışını güçlendirmeye odaklanacak.

kaynak: Massachusetts Teknoloji Enstitüsü

MIT’den araştırmacıların raporuna göre, yeni manyetik nanodiskler, beynin bazı kısımlarını uyarmak için çok daha az invaziv bir yol sağlayabilir ve implantlar veya genetik modifikasyon olmadan stimülasyon tedavilerinin önünü açabilir.

Bilim insanları, yaklaşık 250 nanometre genişliğindeki (insan saçının yaklaşık 1/500’ü kadar) minik disklerin, beyinde istenilen yere doğrudan enjekte edileceğini öngörüyor. Buradan, vücudun dışına manyetik bir alan uygulanarak herhangi bir zamanda etkinleştirilebilirler.

Yeni parçacıklar biyomedikal araştırmalarda hızlı bir şekilde uygulama bulabilir ve sonunda yeterli testlerden sonra klinik kullanımlara uygulanabilir.

Bu nanopartiküllerin gelişimi dergide anlatılıyor Doğa nanoteknolojisiMIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ile Beyin ve Bilişsel Bilimler Bölümlerinde profesör olan Polina Anikieva, yüksek lisans öğrencisi Yi Ji Kim ve MIT’den ve Almanya’dan 17 kişi tarafından hazırlanan bir makalede.

Derin beyin stimülasyonu (DBS), Parkinson hastalığı ve obsesif kompulsif bozukluk gibi nöropsikiyatrik durumların semptomlarını tedavi etmek için hedeflenen beyin bölgelerine implante edilen elektrotları kullanan yaygın bir klinik prosedürdür.

Etkinliğine rağmen, DBS ile ilişkili cerrahi zorluk ve klinik komplikasyonlar, bu tür bir invaziv prosedürün haklı olduğu vakaların sayısını sınırlamaktadır. Yeni nanodiskler aynı sonuçlara ulaşmanın daha yumuşak bir yolunu sağlayabilir.

Geçtiğimiz on yılda, beyin uyarımı üretmek için başka implantsız yöntemler geliştirildi. Ancak bu yöntemler genellikle uzaysal çözünürlükleri veya derin bölgeleri hedefleme yetenekleri nedeniyle sınırlıydı.

Geçtiğimiz on yılda, Anikeeva’nın Biyoelektronik grubu ve bu alandaki diğer ekipler, uzaktan manyetik sinyalleri beyin uyarımına dönüştürmek için nano ölçekli manyetik malzemeler kullandılar. Ancak bu manyetik yöntemler genetik modifikasyonlara dayalıdır ve insanlarda kullanılamaz.

Anikieva’nın grubundaki yüksek lisans öğrencisi Kim, tüm nöronlar elektrik sinyallerine duyarlı olduğundan, mıknatıslanmayı etkili bir şekilde elektrik potansiyellerine dönüştürebilen bir elektromanyetik nanomateryalin, uzaktan manyetik beyin uyarımına doğru bir yol sağlayabileceğini öne sürdü. Ancak nano ölçekli bir elektromanyetik malzeme yaratmak çok büyük bir zorluktu.

Kim, yeni elektromanyetik nanodiskler topladı ve bu parçacıkların özelliklerini anlamak için Anikeeva’nın laboratuvarında fizik geçmişi olan ve çalışmanın ikinci yazarı olan doktora sonrası araştırmacı Noah Kent ile işbirliği yaptı.

Yeni nanodisklerin yapısı iki katmanlı bir manyetik çekirdek ve bir piezoelektrik kabuktan oluşuyor. Manyetik çekirdek manyetotropiktir, yani mıknatıslandığında şekil değiştirir.

Bu deformasyon daha sonra piezoelektrik kabukta değişen elektriksel polarizasyon üreten strese neden olur. Bu iki etkiyi birleştirerek, bu kompozit parçacıklar manyetik alanlara maruz kaldıklarında nöronlara elektriksel uyarılar iletebiliyor.

Tabletlerin etkinliğinin anahtarlarından biri tabletin şeklidir. Kim, manyetik nanoparçacıklara yönelik önceki denemelerde küresel parçacıklar kullanıldığını ancak elektromanyetik etkinin çok zayıf olduğunu söylüyor. Kent, bu kontrastın manyetik kasılmayı 1000 kattan fazla artırdığını ekliyor.

Ekip ilk önce kendi nanodisklerini kültürlenmiş nöronlara ekledi ve daha sonra bu hücrelerin kısa manyetik alan darbeleri kullanılarak talep üzerine etkinleştirilmesine izin verdi. Bu uyarım herhangi bir genetik değişiklik gerektirmedi.

Daha sonra farelerin beyninin belirli bölgelerine küçük damlalar halinde elektromanyetik nanodisk solüsyonu enjekte ettiler. Dolayısıyla yakındaki nispeten zayıf bir elektromıknatısın basitçe açılması, parçacıkların beynin o bölgesine küçük bir elektrik şoku salmasına neden olur.

Stimülasyon, elektromıknatısın değiştirilmesiyle uzaktan açılıp kapatılabilir. Kim, bu elektriksel uyarının “nöronal aktivite ve davranış üzerinde etkisi olduğunu” söylüyor.

Ekip, elektromanyetik nanodisklerin beynin derinliklerindeki, ödül duygularıyla ilişkili ventral tegmental alanı uyarabildiğini buldu.

Ekip ayrıca beynin başka bir bölgesini, motor kontrolüyle ilişkili olan subtalamik çekirdeği de uyardı.

Kim, “Bu, Parkinson hastalığını yönetmek için tipik olarak elektrotların implante edildiği alandır” diye açıklıyor.

Araştırmacılar, parçacıklar yoluyla motor kontrolünün modifikasyonunu başarılı bir şekilde göstermeyi başardılar. Spesifik olarak, nanodisklerin sadece bir yarıküreye enjekte edilmesiyle araştırmacılar, manyetik alan uygulayarak sağlıklı farelerde rotasyonu tetikleyebildiler.

Nanodiskler, hafif elektriksel uyarı sağlayan geleneksel implante elektrotlarla karşılaştırılabilir sinirsel aktiviteyi tetikleyebilir. Araştırmacılar, kendi yöntemlerini kullanarak nöral stimülasyonun saniyenin altındaki zamansal çözünürlüğünü elde ettiler, ancak elektrotlara kıyasla yabancı cisim tepkilerinin önemli ölçüde azaldığını gözlemlediler, bu da daha güvenli derin beyin stimülasyonuna izin verebilir.

Yeni çok katmanlı nanodisklerin çok katmanlı kimyasal bileşimi, şekli ve fiziksel boyutu, mikrokatalizi mümkün kılan şeydir.

Anikieva, araştırmacıların manyetik geri çekilme etkisini artırmayı başarmış olmasına rağmen, sürecin ikinci kısmı olan manyetik etkiyi elektrik çıkışına dönüştürme konusunda hala daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulduğunu söylüyor.

Manyetik tepki bin kat daha fazla olmasına rağmen, elektrik darbesine dönüşüm, geleneksel küresel parçacıklara göre yalnızca dört kat daha fazlaydı.

Kim, “Bu devasa bin katlık gelişme henüz tam anlamıyla elektromanyetik iyileştirmeye dönüştürülmedi” diyor.

“Bu, manyetik daralmadaki bin kat güçlendirmenin, elektromanyetik bağlantıda bin kat güçlendirmeye dönüştürülebilmesini sağlamak için gelecekteki birçok çalışmanın odaklanacağı yerdir.”

Parçacık şekillerinin manyetik büzülmeyi etkileme şekliyle ilgili olarak ekibin bulduğu şey tamamen beklenmedikti.

Kent, “Bu parçacıkların neden bu kadar iyi çalıştığını anlamaya çalıştığımızda ortaya çıkan yeni bir şey” diyor.

Anikieva, “Evet, rekor bir parçacık ama olması gerektiği kadar rekor kırmıyor” diye ekliyor. Bu, daha ileri çalışmalar için bir konu olmaya devam ediyor, ancak ekibin nasıl daha fazla ilerleme kaydedilebileceğine dair fikirleri var.

Prensipte bu nanodisklerin hayvan modelleri kullanılarak yapılan temel araştırmalara uygulanması mümkün olsa da, bunların insanlarda klinik kullanıma dönüştürülmesi, büyük ölçekli güvenlik çalışmaları da dahil olmak üzere birkaç ileri adım gerektirecektir. “Durum iyi.” Anikieva “Yapmak zorundayım” diyor.

“Bu parçacıkların belirli bir klinik bağlamda gerçekten yararlı olduğunu bulduğumuzda, onların daha sıkı büyük hayvan güvenliği araştırmalarına tabi tutulması için bir yol olacağını hayal ediyoruz.”

Ekipte MIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri, Kimya, Beyin ve Bilişsel Bilimler Bölümlerine bağlı araştırmacılar; Elektronik Araştırma Laboratuvarı. McGovern Beyin Araştırma Enstitüsü; Koch Bütünleştirici Kanser Araştırmaları Enstitüsü; Almanya Erlangen’deki Friedrich Alexander Üniversitesi’nden.

Finansman: Bu çalışma kısmen Ulusal Sağlık Enstitüleri, Ulusal Tamamlayıcı ve Bütünleyici Sağlık Merkezi, Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü, McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü ve K. Lisa Yang ve Hawke E. Tan Nörobilimde Moleküler Terapötik Merkezi.

Nöroteknoloji araştırma haberleri hakkında

yazar: David L. Chandler
kaynak: Massachusetts Teknoloji Enstitüsü
iletişim: David L. Chandler – Massachusetts Teknoloji Enstitüsü
resim: Resim Neuroscience News’e atfedilmiştir

Orijinal arama: Erişimi açın.
“Elektromanyetik nanodiskler gen içermeyen kablosuz nöromodülasyona olanak sağlar” Polina Anikieva ve diğerleri tarafından yazılmıştır. Doğa nanoteknolojisi

bir özet

Elektromanyetik nanodiskler gen içermeyen kablosuz nöromodülasyona olanak sağlar

İmplante elektrotların kullanıldığı derin beyin stimülasyonu, sinirbilim çalışmalarını ve nöropsikiyatrik durumların tedavisini dönüştürdü. Derin beyin stimülasyonuna daha az invaziv alternatiflerin keşfedilmesi, klinik ve araştırma uygulamalarını genişletebilir. Nanomateryal aracılı manyetik alanların elektriksel potansiyellere dönüştürülmesi, uzaktan nöromodülasyonun bir aracı olarak araştırılmıştır.

Burada çift kabuklu Fe kullanarak elektromanyetik nanodiskleri (MEND’ler) sentezliyoruz₃Hey₄-Kahve₂Hey₄-Veranda₃ Verimli elektromanyetik bağlantıya sahip yapı (çap 250 nm ve kalınlık 50 nm).

1 μg mm yoğunlukta MEND’lerle süslenmiş nöronlarda manyetik alan uyarımına güçlü tepkiler buluyoruz^-2 Tek parçacık potansiyelleri sinirsel uyarılma eşiğinin altında olmasına rağmen. Kablo teorisiyle birlikte in vitro gözlemlerimizi destekleyen ve in vivo elektromanyetik uyarımı bilgilendiren bir tekrarlayan eşik altı depolarizasyon modeli öneriyoruz.

Genetik olarak normal farelerin ventral tegmental alanına veya subtalamik çekirdeğine 1 mg konsantrasyonlarda enjekte edilir.^-1MEND’ler sırasıyla ödül veya motor davranışların uzaktan kontrolüne izin verir.

Bu bulgular, nörobilim araştırmalarındaki uygulamalara yönelik elektromanyetik nöromodülasyonun mekaniğini geliştirmenin yolunu açıyor.