磁気ナノディスクは移植を必要としない脳刺激を提供します

要約： 科学者たちは侵襲的インプラントや遺伝子組み換えなしで標的脳刺激を可能にする磁気ナノディスクを開発しました。外部磁場によって活性化される小さなディスクは、ニューロンに電気パルスを伝達し、神経疾患の治療における可能性を示す。

マウスを対象とした初期試験では、これらのナノディスクが補償および運動制御に関連する脳領域を効果的に刺激し、既存のインプラントと比較して異物反応が少ないことが実証された。今回の研究では、脳疾患に対する新たな侵襲性の低い治療法への一歩を踏み出しました。

将来の改善は、ディスクの電気ショック出力を向上させ、効率をさらに向上させることを目的としています。さらなる研究により、これらのナノディスクは神経学的研究と治療に貴重なツールになることができます。

主な事実：

• ナノディスクは、外部磁石によって活性化されると電気刺激を伝達します。
• ラットを対象とした実験では、補償および運動機能に関連する脳領域を効果的に刺激することが示された。
• 今後の研究は、臨床用にナノディスクの電気出力を増幅することに焦点を当てます。

源泉： MIT

MITの研究者は、新しい磁気ナノディスクは脳の一部を刺激するはるかに侵襲性の低い方法を提供し、インプラントや遺伝子組み換えなしで刺激治療のための道を拭くことができると報告しました。

科学者たちは、水平が約250ナノメートル（人の髪の幅の約1/500）である小さなディスクが脳の所望の位置に直接注入されると想像しています。そこから体外に磁場を印加するだけで、いつでも活性化することができます。

新しい粒子は生医学研究に迅速に適用でき、十分なテストを経て最終的に臨床用途に適用することができます。

これらのナノ粒子の開発はジャーナルに記載されています。 自然ナノ技術MIT材料工学科、脳認知科学部教授 Polina Anikeeva、大学院生キム・イェジ他MITおよびドイツ17人の論文で。

深部脳刺激（DBS）は、パーキンソン病や強迫性障害などの神経および精神疾患の症状を治療するために標的脳領域に埋め込まれた電極を使用する一般的な臨床手順です。

その有効性にもかかわらず、DBSに関連する手術の困難さと臨床的合併症のために、そのような侵襲的処置が必要な場合の数は制限されます。新しいナノディスクは、同じ結果を得るためのはるかに良い方法を提供できます。

過去10年間、インプラントを使用せずに脳刺激を生成する別の方法が開発されました。しかし、このアプローチは、空間解像度や深い領域をターゲットにする能力によって制限されることがよくありました。

過去10年間、Anikeevaのバイオ電子工学グループとその分野の他の研究者は、遠隔磁気信号を脳刺激に変換するために磁性ナノ材料を使用してきました。しかしながら、これらの磁気的方法は遺伝子改変に依存するので、人間には使用できない。

すべての神経細胞は電気信号に敏感であるため、Anikeevaグループの大学院生であるKimは、磁化を電位に効率的に変換できる磁気電気ナノ材料が、遠隔磁気脳刺激のための経路を提供できるという仮説を立てました。しかし、ナノサイズの磁気電気材料を作ることは手ごわい挑戦でした。

Kimは、新しい磁気電気ナノディスクを合成し、この粒子の特性を理解するために、Anikeeva研究室の博士後研究者であり、今回の研究の2番目の著者である物理学の背景のNoah Kentと協力しました。

新しいナノディスクの構造は、2層磁気コアと圧電シェルで構成されています。磁気コアは磁歪型なので、磁化すると形状が変化する。

この変形は、様々な電気分極を生成する圧電シェルに変形を引き起こす。 2つの効果の組み合わせにより、これらの複合粒子は磁場にさらされるとニューロンに電気パルスを送ることができます。

ディスク効率の中心の一つはディスク形状である。磁気ナノ粒子を使用する以前の試みは球状粒子を使用していましたが、磁気電気効果は非常に弱かったとKimは言います。このような異方性は磁気歪を1000倍以上向上させるとKentは付け加えます。

研究チームは最初に培養されたニューロンにナノディスクを追加し、これにより必要に応じて短い磁場のパルスでこれらの細胞を活性化することができました。この刺激は遺伝子改変を必要としなかった。

その後、ラット脳の特定の領域に小滴の磁気電気ナノディスク溶液を注入した。次に、近くの比較的弱い電磁石をオンにするだけで、粒子はその脳領域に小さな衝撃を放出するように促されました。

電磁石を切り替えることで、刺激をリモートでオン/オフできます。これらの電気刺激は「ニューロンの活動と行動に影響を与えました」とKimは言います。

研究チームは、磁気電気ナノディスクが報酬の感情に関連する脳の深い領域、すなわち腹部の枕領域を刺激することができることを発見しました。

研究チームはまた、運動制御に関連する別の脳領域である視床下核も刺激しました。

「この部位は通常、パーキンソン病を管理するために電極を移植する部位です」とKimは説明します。

研究者は、粒子による運動制御の制御を成功裏に実証することができました。具体的には、片半球にのみナノディスクを注入することで、研究者は磁場を適用して健康なラットの回転を誘導することができました。

ナノディスクは、光電気刺激を伝達する従来の埋め込み電極と比較できる神経活動を引き起こす可能性があります。著者は自分の方法で神経刺激に対して1秒未満の時間的精度を達成したが、電極に比べて異物反応が大幅に減少し、潜在的により安全な深部脳刺激が可能であることを観察しました。

新しい多層ナノディスクの多層化学組成と物理的形状とサイズが正確な刺激を可能にしました。

研究者は磁歪効果をうまく増やしましたが、磁気効果を電気出力に変換するプロセスの2番目の部分ではまだより多くの作業が必要であるとAnikeevaは言います。

磁気反応は従来の球状粒子より1000倍大きいが、電気刺激への変換は4倍だけ大きかった。

「このような千倍の膨大な向上は、磁気電気の向上として完全に解釈されていません」とKimは言います。

「自己歪みの1,000倍の増幅が磁気電気結合の1,000倍の増幅に変換できることを確認する将来の多くの研究がここに集中します。」

粒子の形状が磁気歪みに影響する方法に関して研究チームが発見したのはまったく予期しなかったことでした。

Kentは、「これらの粒子がなぜそのようにうまく機能するのかを理解しようとしたときに、現れたばかりの新しいものです」と述べました。

Anikeevaは次のように付け加えました。 「はい、記録的な粒子ですが、記録的なレベルではありません。」これはまだ追加作業のテーマとして残っていますが、チームはさらなる進歩を遂げる方法についてのアイデアを持っています。

これらのナノディスクは、原則としてすでに動物モデルを使用した基礎研究に適用できますが、それを人間の臨床使用に変換するには、大規模な安全性研究を含むいくつかの追加のステップが必要です。する必要があります。」とAnikeevaは言います。

「これらの粒子が特定の臨床状況で実際に有用であることを発見したら、より厳しい大型動物安全研究を行うための道があると想像します。」

チームには、MITの材料科学と工学、電気工学とコンピュータサイエンス、化学、脳、認知科学部門に所属する研究者が含まれていました。電子工学研究所McGovern脳研究研究所。統合癌研究のためのコッホ研究所。ドイツのエルランゲン・フリードリヒ・アレクサンダー大学出身です。

資金： この作業は、部分的に国立保健院（National Institutes of Health）、国立補完統合健康センター（National Center for Complementary and Integrative Health）、国立神経障害および脳卒中研究所（National Institute for Neurological Disorders and Stroke）、McGovern脳研究研究所（ McGovern Institute for Brain Research）、K. Lisa YangおよびHock E.神経科学分子治療のためのTanセンター。

この神経技術研究ニュースについて

作家： デビッドL.チャンドラー
源泉： MIT
連絡する: デビッドL.チャンドラー – MIT
ビデオ: 画像のソースはNeuroscience Newsです。

独創的な研究： オープンアクセス。
「磁気電気ナノディスクによる移植遺伝子のない無線神経調節可能「Polina Anikeevaらの著書。 自然ナノ技術

抽象的な

磁気電気ナノディスクによる移植遺伝子のない無線神経調節可能

移植された電極を用いた深部脳刺激は、神経科学の研究と神経学的および精神科的疾患の治療を変えました。深部脳刺激に対する侵襲性の低い代替手段を発見すると、臨床および研究用途が拡大する可能性があります。ナノ材料を介して磁場を電位に変換することが遠隔神経調節のための手段として研究されています。

ここでは、コア – デュアルシェルFeを使用して磁気電気ナノディスク（MEND）を合成します。₃永久₄-CoFe₂永久₄–BaTiO₃ 効率的な磁気電気結合を備えたアーキテクチャ（直径250nmおよび厚さ50nm）。

我々は、1 µg mm密度のMENDで飾られたニューロンでの磁場刺激に対する強力な反応を見つけます。^-2 神経興奮閾値未満の個々の粒子電位にもかかわらず。我々は、ケーブル理論と組み合わせてin vitro観察を支持し、in vivoで磁気電気刺激を知らせる反復閾値以下の脱分極モデルを提案する。

1mg mlの濃度で遺伝的に損傷を受けていないラットの腹部皮蓋部位または視床下核への注射^-1MENDを使用すると、報酬や運動行動をそれぞれリモートコントロールできます。

これらの発見は、神経科学研究に適用するための磁気電気神経調節の機械的最適化のためのステージを提供しました。