微型磁碟提供無需轉基因的遠程大腦刺激 | 麻省理工學院新聞

新型磁性奈米圓盤或可提供更少侵入性的腦部刺激方法

麻省理工學院 (MIT) 的研究人員報告指出，這些新型的磁性奈米圓盤可能提供一種更少侵入性的方式來刺激大腦的某些部分，未來可能實現不需要植入物或基因改造的刺激療法。

科學家們想像這些小圓盤的直徑約為250奈米（約為人類頭髮的1/500），可以直接注射到大腦的目標位置。然後，只需在體外施加磁場，就可以隨時啟動它們。這些新粒子可能很快在生物醫學研究中找到應用，並最終在經過充分測試後，可能被應用於臨床使用。

這些奈米粒子的發展在《自然奈米技術》期刊上發表，作者包括麻省理工學院材料科學與工程系及腦與認知科學系的教授波莉娜·阿尼基娃 (Polina Anikeeva)、研究生金藝智 (Ye Ji Kim) 及其他17位來自麻省理工學院和德國的研究人員。

深腦刺激的挑戰

深腦刺激 (DBS) 是一種常見的臨床程序，使用植入在目標腦區的電極來治療神經和精神疾病的症狀，例如帕金森病和強迫症。儘管其效果顯著，但由於手術難度和臨床併發症，DBS的應用受到限制。這些新的奈米圓盤可能提供一種更溫和的方式來達到相同的效果。

在過去十年中，其他無需植入物的腦部刺激方法也已被開發。然而，這些方法往往在空間解析度或針對深層區域的能力上受到限制。阿尼基娃的生物電子學小組以及其他研究者已經使用磁性奈米材料將遠程磁信號轉換為腦部刺激，但這些磁性方法依賴於基因改造，無法應用於人類。

奈米圓盤的創新

由於所有神經細胞對電信號都很敏感，金藝智假設一種能有效將磁化轉換為電位的磁電奈米材料，可能提供遠程磁性腦部刺激的途徑。然而，創造一種奈米級的磁電材料是一個艱巨的挑戰。

金藝智合成了新型的磁電奈米圓盤，並與阿尼基娃實驗室的物理學博士後研究員諾亞·肯特 (Noah Kent) 合作，了解這些粒子的特性。

這些新奈米圓盤的結構由兩層磁性核心和壓電外殼組成。磁性核心具有磁致伸縮性，這意味著它在磁化時會改變形狀。這種變形會在壓電外殼中產生應變，從而產生變化的電極化。通過這兩種效應的結合，這些複合粒子在暴露於磁場時可以向神經元發送電脈衝。

奈米圓盤的效果

圓盤的形狀是其有效性的關鍵。金藝智表示，之前使用的磁性奈米粒子是球形的，但磁電效應非常弱。肯特補充說，這種不對稱性使磁致伸縮性增強了超過1000倍。

研究團隊首先將奈米圓盤添加到培養的神經元中，這使他們能夠隨時用短脈衝的磁場激活這些細胞，而不需要任何基因改造。

接著，他們將小滴的磁電奈米圓盤溶液注射到小鼠大腦的特定區域。然後，簡單地打開一個相對較弱的電磁鐵，就能觸發粒子在該腦區釋放微小的電流。這種刺激可以通過切換電磁鐵來遠程開關。金藝智表示，這種電刺激「對神經元活動和行為有影響」。

研究團隊發現，磁電奈米圓盤可以刺激與獎勵感覺相關的深腦區域——腹側被蓋區。

團隊還刺激了另一個與運動控制相關的腦區——下丘腦核。「這是通常植入電極以管理帕金森病的區域，」金藝智解釋道。研究人員成功展示了通過這些粒子調節運動控制的能力。具體來說，通過僅在一側半球注射奈米圓盤，研究人員可以通過施加磁場誘導健康小鼠旋轉。

這些奈米圓盤能夠觸發的神經活動與傳統植入電極提供的輕微電刺激相當。作者們的研究方法實現了亞秒級的神經刺激精度，並且與電極相比，觀察到顯著減少的外來物體反應，這可能使深腦刺激更加安全。

未來的挑戰

新型多層奈米圓盤的化學成分、物理形狀和大小使得精確刺激成為可能。雖然研究人員成功增強了磁致伸縮效應，但將磁效應轉換為電輸出的第二部分過程仍需進一步研究。阿尼基娃表示，雖然磁響應增強了一千倍，但轉換為電脈衝的效果僅比傳統球形粒子高四倍。

金藝智表示：「這種千倍的增強並沒有完全轉化為磁電增強。」他補充道：「未來的工作將集中在確保磁致伸縮性的一千倍增強能轉換為磁電耦合的一千倍增強。」

團隊發現，粒子的形狀對其磁致伸縮性的影響是相當意外的。肯特表示：「這是一個新發現，當我們試圖弄清楚為什麼這些粒子如此有效時出現的。」

阿尼基娃補充道：「是的，這是一種創紀錄的粒子，但它還不是可以達到的最優紀錄。」這仍然是未來進一步研究的主題，但團隊對如何取得進展有一些想法。

雖然這些奈米圓盤理論上可以應用於使用動物模型的基礎研究，但要將其轉化為人類的臨床使用，仍需多個步驟，包括大規模的安全性研究，「這是學術研究者不一定最擅長的事情，」阿尼基娃說。「當我們發現這些粒子在特定臨床情境中真的有用時，我們想像會有一條途徑讓它們進行更嚴格的大型動物安全研究。」

研究團隊包括來自麻省理工學院材料科學與工程系、電機工程與計算機科學系、化學系、腦與認知科學系的研究人員；電子研究實驗室；麥戈文腦研究所；科赫綜合癌症研究所；以及德國埃爾朗根的弗里德里希·亞歷山大大學。這項工作部分得到了美國國立衛生研究院、國立補充與整合健康中心、國立神經疾病與中風研究所、麥戈文腦研究所和K. Lisa Yang與Hock E. Tan神經科學分子療法中心的支持。