자기 나노디스크는 임플란트 없이 뇌 자극을 제공합니다.

요약: 과학자들은 침습적 임플란트나 유전자 변형 없이도 표적 뇌 자극을 가능하게 하는 자기 나노디스크를 개발했습니다. 외부 자기장에 의해 활성화되는 작은 디스크는 신경 세포에 전기 자극을 전달하여 신경 질환을 치료할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

생쥐를 대상으로 한 초기 테스트에서는 이러한 나노디스크가 보상 및 운동 제어와 관련된 뇌 영역을 효과적으로 자극했으며 기존 임플란트보다 이물질에 대한 반응이 더 적은 것으로 나타났습니다. 이번 연구는 뇌 질환에 대한 새롭고 덜 침습적인 치료법을 향한 한 단계를 나타냅니다.

향후 개선의 목표는 디스크의 전기 펄스 출력을 향상시켜 효율성을 높이는 것입니다. 추가 연구를 통해 이러한 나노디스크는 신경학 연구 및 치료에 귀중한 도구가 될 수 있습니다.

주요 사실:

• 나노디스크는 외부 자석에 의해 활성화될 때 전기 자극을 제공합니다.
• 쥐를 대상으로 실시한 테스트에서는 보상 및 운동 기능과 관련된 뇌 영역을 효과적으로 자극하는 것으로 나타났습니다.
• 향후 연구는 임상용으로 나노디스크의 전기 출력을 증폭시키는 데 중점을 둘 것입니다.

원천: 매사추세츠 공과대학

새로운 자기 나노디스크는 뇌의 일부를 자극하는 훨씬 덜 침습적인 방법을 제공하여 임플란트나 유전자 변형 없이 자극 치료를 위한 길을 열었다고 MIT 연구진이 보고했습니다.

과학자들은 너비가 약 250나노미터(사람 머리카락 너비의 약 1/500)인 작은 디스크가 뇌의 원하는 위치에 직접 주입될 것으로 예상합니다. 거기에서 신체 외부에 자기장을 적용하기만 하면 언제든지 활성화될 수 있습니다.

새로운 입자는 생의학 연구에 신속하게 적용할 수 있으며, 충분한 테스트를 거쳐 최종적으로 임상 용도에 적용될 수 있습니다.

이러한 나노입자의 개발은 저널에 설명되어 있습니다. 자연나노기술MIT 재료공학과, 뇌인지과학과 교수인 폴리나 아니키에바(Polina Anikieva), 대학원생 김이지 외 MIT 및 독일 17명의 논문에서.

심부 뇌 자극(DBS)은 파킨슨병 및 강박 장애와 같은 신경정신병적 증상을 치료하기 위해 표적 뇌 영역에 이식된 전극을 사용하는 일반적인 임상 절차입니다.

그 효과에도 불구하고 DBS와 관련된 수술의 어려움과 임상적 합병증으로 인해 그러한 침습적 시술이 정당화되는 사례의 수가 제한됩니다. 새로운 나노디스크는 동일한 결과를 달성하는 보다 원활한 방법을 제공할 수 있습니다.

지난 10년 동안 뇌 자극을 생성하기 위해 임플란트를 사용하지 않는 다른 방법이 개발되었습니다. 그러나 이러한 방법은 공간 해상도나 깊은 영역을 타겟팅하는 능력으로 인해 제한되는 경우가 많았습니다.

지난 10년 동안 Anikeeva의 Bioelectronics 그룹과 해당 분야의 다른 그룹은 나노 규모의 자성 재료를 사용하여 원격 자기 신호를 뇌 자극으로 변환해 왔습니다. 그러나 이러한 자기 방법은 유전자 변형에 의존하므로 인간에게는 사용할 수 없습니다.

모든 뉴런은 전기 신호에 민감하기 때문에 Anikieva 그룹의 대학원생인 Kim은 자화를 전위로 효율적으로 변환할 수 있는 전자기 나노물질이 원격 자기 뇌 자극을 위한 경로를 제공할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 그러나 나노 규모의 전자기 재료를 만드는 것은 엄청난 도전이었습니다.

Kim은 새로운 전자기 나노디스크를 조립하고 이 입자의 특성을 이해하기 위해 Anikeeva 연구소의 물리학 배경 지식을 갖춘 박사후 연구원이자 연구의 두 번째 저자인 Noah Kent와 협력했습니다.

새로운 나노디스크의 구조는 2층 자기 코어와 압전 쉘로 구성됩니다. 자기 코어는 자기방성(Magnetotropic)입니다. 즉, 자화되면 모양이 변합니다.

이 변형은 다양한 전기 분극을 생성하는 압전 쉘에 응력을 유발합니다. 두 가지 효과를 결합함으로써 이러한 복합 입자는 자기장에 노출될 때 뉴런에 전기 자극을 전달할 수 있습니다.

정제의 효과에 대한 핵심 중 하나는 정제의 모양입니다. 자성 나노입자에 대한 이전 시도에서는 구형 입자를 사용했지만 전자기 효과가 매우 약했다고 Kim은 말합니다. Kent는 이러한 대비가 자기 수축을 1,000배 이상 향상시킨다고 덧붙였습니다.

연구팀은 먼저 배양된 뉴런에 나노디스크를 추가한 다음 짧은 자기장의 펄스를 사용하여 필요에 따라 이러한 세포를 활성화할 수 있었습니다. 이 자극에는 유전자 변형이 필요하지 않았습니다.

그런 다음 그들은 쥐 뇌의 특정 부위에 전자기 나노디스크 용액의 작은 방울을 주입했습니다. 따라서 근처의 상대적으로 약한 전자석을 켜는 것만으로도 입자가 뇌의 해당 영역에 작은 전기 충격을 방출하게 됩니다.

전자석을 전환하여 자극을 원격으로 켜고 끌 수 있습니다. 이 전기 자극은 “신경 활동과 행동에 영향을 미쳤습니다”라고 Kim은 말합니다.

연구팀은 전자기 나노디스크가 보상 감정과 관련된 뇌 깊은 곳인 복부 피개 영역을 자극할 수 있음을 발견했습니다.

연구팀은 또한 운동 제어와 관련된 뇌의 또 다른 영역인 시상하핵도 자극했습니다.

“파킨슨병을 관리하기 위해 일반적으로 전극을 이식하는 부위가 바로 이 부위입니다.”라고 김씨는 설명합니다.

연구진은 입자를 통해 운동 제어의 변형을 성공적으로 입증할 수 있었습니다. 구체적으로, 연구진은 단 하나의 반구에 나노디스크를 주입함으로써 자기장을 적용하여 건강한 쥐의 회전을 유도할 수 있었습니다.

나노디스크는 가벼운 전기 자극을 제공하는 기존의 이식된 전극에 필적하는 신경 활동을 유발할 수 있습니다. 연구진은 자신의 방법을 사용하여 신경 자극의 1초 미만의 시간 해상도를 달성했지만 전극에 비해 이물질 반응이 크게 감소하여 더 안전한 심부 뇌 자극이 가능하다는 것을 관찰했습니다.

새로운 다층 나노디스크의 다층 화학적 조성, 모양 및 물리적 크기가 미세촉매작용을 가능하게 했습니다.

연구진은 자기 수축 효과를 높이는 데 성공했지만 자기 효과를 전기 출력으로 변환하는 과정의 두 번째 부분에는 여전히 더 많은 연구가 필요하다고 Anikieva는 말합니다.

자기 반응은 1000배 더 크지만 전기 펄스로의 변환은 기존 구형 입자보다 4배 더 컸습니다.

“이 엄청난 1000배의 개선은 아직 전자기적 향상으로 완전히 전환되지 않았습니다.”라고 Kim은 말합니다.

“자기 수축의 1000배 증폭이 전자기 결합의 1000배 증폭으로 변환될 수 있는지 확인하는 미래의 많은 연구가 여기에 집중될 것입니다.”

입자 모양이 자기 수축에 영향을 미치는 방식과 관련하여 팀이 발견한 것은 전혀 예상치 못한 일이었습니다.

Kent는 “이 입자들이 왜 그렇게 잘 작동하는지 알아내려고 노력했을 때 방금 나온 새로운 것입니다.”라고 말했습니다.

“예, 그것은 기록적인 입자이지만 그래야 할 만큼 기록을 깨는 것은 아닙니다.”라고 Anikieva는 덧붙입니다. 이는 추가 작업의 주제로 남아 있지만 팀은 추가 진행 방법에 대한 아이디어를 가지고 있습니다.

원칙적으로 이러한 나노디스크를 동물 모델을 사용하는 기초 연구에 이미 적용하는 것이 가능하지만 이를 인간의 임상 사용으로 전환하려면 대규모 안전성 연구를 포함한 몇 가지 추가 단계가 필요합니다. .” “좋은 상황이에요.” 아니키에바는 “해야 해요.”라고 말합니다.

“이러한 입자가 특정 임상 상황에서 실제로 유용하다는 사실을 발견하면 보다 엄격한 대형 동물 안전 연구를 수행할 수 있는 경로가 있을 것이라고 상상합니다.”

팀에는 MIT 재료 과학 및 공학, 전기 공학 및 컴퓨터 과학, 화학, 뇌 및 인지 과학과 소속 연구원이 포함되었습니다. 전자 연구실. 맥거번 뇌 연구소; 코흐 통합 암 연구 연구소; 독일 에를랑겐 프리드리히 알렉산더 대학 출신.

자금조달: 이 연구는 국립 보건원(National Institutes of Health), 국립 보완 및 통합 건강 센터(National Center for Complementary and Integrative Health), 국립 신경 장애 및 뇌졸중 연구소(National Institute of Neurological Disorders and Stroke), McGovern 뇌 연구 연구소(McGovern Institute for Brain Research) 및 K. 리사 양과 호크 E. 신경과학 분자치료학을 위한 Tan 센터.

신경기술 연구 뉴스 소개

작가: 데이비드 L. 챈들러
원천: 매사추세츠 공과대학
의사소통: David L. Chandler – 매사추세츠 공과대학
영상: 이미지 제공: 신경과학 뉴스

원래 검색: 오픈 액세스.
“전자기 나노디스크로 유전자 없는 무선 신경조절 가능” Polina Anikieva 등이 작성함. 자연나노기술

요약

전자기 나노디스크로 유전자 없는 무선 신경조절 가능

이식된 전극을 사용한 심부 뇌 자극은 신경과학 연구와 신경정신병적 질환의 치료를 변화시켰습니다. 심부 뇌 자극에 대한 덜 침습적인 대안을 발견하면 임상 및 연구 응용 분야가 확장될 수 있습니다. 나노물질 매개 자기장을 전위로 변환하는 것은 원격 신경조절의 수단으로 연구되었습니다.

여기에서는 이중 쉘 Fe를 사용하여 전자기 나노디스크(MEND)를 합성합니다.₃여기요₄-커피₂여기요₄-안마당₃ 효율적인 전자기 결합을 갖춘 구조(직경 250nm 및 두께 50nm).

우리는 1 μg mm 밀도의 MEND로 장식된 뉴런에서 자기장 자극에 대한 강한 반응을 발견했습니다.^-2 단일 입자 전위는 신경 자극의 임계값보다 낮지만. 우리는 케이블 이론과 함께 시험관 내 관찰을 뒷받침하고 생체 내 전자기 자극을 알려주는 재발성 역치 이하 탈분극 모델을 제안합니다.

이는 1mg의 농도로 유전적으로 정상인 쥐의 복측피개부 또는 시상하핵에 주사됩니다.^-1MEND를 사용하면 보상 또는 운동 동작을 각각 원격 제어할 수 있습니다.

이러한 발견은 전자기 신경조절의 메커니즘을 신경과학 연구에 적용할 수 있는 방향으로 개선할 수 있는 길을 열어줍니다.