來源：MIT News
MIT 研究人員近日開發出一種全新的磁性奈米磁盤，為腦部刺激療法帶來了低侵入性的選擇。與傳統植入手術不同，這種技術無需植入電極或基因改造，或將推動非侵入性腦刺激技術的套用。
這種磁盤僅有約 250 奈米寬（約等於人類頭發的 1/500），可以直接註射到大腦的指定位置。研究人員設想，透過在體外施加磁場，磁盤可以隨時被啟用。研究團隊認為，這一技術在不久的將來可在生物醫學研究中得到套用，甚至在經過嚴謹的測試後，可能用於臨床。
這一研究成果發表在【自然奈米技術】期刊上，由 MIT 材料科學與工程系和腦與認知科學系教授 Polina Anikeeva、研究生 Ye Ji Kim 及其他來自 MIT 和德國的 17 位研究人員聯合完成。
深部腦刺激（DBS）是一種常用的臨床技術，透過在目標腦區植入電極來治療帕金森癥和強迫癥等疾病。然而，這一技術涉及復雜的手術過程，且可能伴有並行癥，限制了其套用範圍。相比之下，這些新型奈米磁盤可能提供一種更溫和的替代選擇，達到類似的治療效果。
近年來，科研人員提出了多種無植入腦部刺激方案，但在空間分辨率和深部定位方面依然存在局限。Anikeeva 的團隊和其他研究人員利用磁性奈米材料將磁訊號轉化為腦部刺激，但此前技術依賴於基因改造，因而無法用於人類治療。
研究生 Kim 提出，神經細胞對電訊號有天然的敏感性，如果能夠開發出一種將磁場轉化為電訊號的磁電材料，那麽遠端腦部刺激將變得可行。然而，開發這種奈米級的磁電材料充滿挑戰。
Kim 成功合成了新型磁電奈米磁盤，並與擁有物理學背景的博士後 Noah Kent 合作，進一步研究了這種顆粒的特性。
新磁盤結構由雙層磁性核心和壓電外殼構成。磁性核心在磁化時發生形變，進而產生壓力作用於壓電外殼，產生電訊號。這種復合結構讓磁盤在外加磁場作用下能夠向神經元發出電脈沖。
磁盤的形狀也至關重要。Kim 指出，傳統的磁性奈米顆粒多為球形，磁電效應較弱，而這些扁平的磁盤能將磁致伸縮效應放大 1000 倍，Kent 補充道。
研究團隊首先在培養的神經元中測試了奈米磁盤，利用短暫的磁場脈沖實作了對神經元的精準啟用，且無需基因改造。
接下來，研究人員將磁電奈米磁盤註入小鼠大腦的特定區域。只需開啟弱磁場，磁盤就能釋放微弱電流對目標腦區進行遠端刺激。Kim 表示，這種刺激對神經元活動及小鼠行為產生了顯著影響。
研究團隊還發現，這些奈米磁盤可以刺激深部腦區——例如與獎賞感受有關的腹側被蓋區。此外，他們還刺激了與運動控制相關的丘腦底核。Kim 解釋道：「這正是傳統上用來植入電極治療帕金森癥的區域。」研究顯示，透過在小鼠一側註射磁盤，外加磁場可以引導小鼠旋轉，展示了對運動控制的調節效果。
相比傳統電極，這種磁盤不僅能在亞秒級實作精確的腦部刺激，還顯著降低了異物反應，使深部腦刺激更為安全。
盡管團隊在增強磁致伸縮效應方面取得了顯著進展，Anikeeva 指出，如何將這種磁效應有效地轉化為電訊號仍需進一步改進。盡管磁響應提升了 1000 倍，但電訊號轉化的提升僅為四倍。
Kim 表示，「這種 1000 倍的增強效應還沒完全轉化為電訊號增強。」未來的研究將致力於進一步最佳化，將這種增幅完全轉化到磁電耦合效果上。
Kent 補充道，磁盤形狀對磁致伸縮的意外影響，正是團隊未曾預料到的。
Anikeeva 表示：「雖然這款奈米磁盤創下紀錄，但仍有最佳化空間。」研究團隊已有進一步改進的設想。
盡管這些奈米磁盤已經可以套用於動物實驗，但將其用於人類的臨床測試仍需多個步驟，包括大規模的安全性驗證。Anikeeva 指出，「這種驗證通常並非學術研究的強項，當確認這些顆粒在特定臨床情境中確實有效後，或授權以透過相關渠道推動更嚴格的大動物安全測試。」
這項研究由 MIT 材料科學與工程系、電氣工程與電腦科學系、化學系及腦與認知科學系的研究人員共同完成，其他團隊成員還包括電子研究實驗室、麥戈文腦研究所、綜合癌癥研究中心的科學家及德國埃爾朗根-紐倫堡大學的研究人員。研究得到美國國立衛生研究院、國家補充與綜合健康中心、國家神經疾病與中風研究所、麥戈文腦研究所和 K. Lisa Yang 和 Hock E. Tan 神經科學分子治療學中心的資助。
原文連結：
https://news.mit.edu/2024/tiny-magnetic-discs-offer-remote-brain-stimulation-without-transgenes-1011
