MIT开发脑部精准刺激无创“纳米磁盘”

MIT 研究人员近日开发出一种全新的磁性纳米磁盘，为脑部刺激疗法带来了低侵入性的选择。与传统植入手术不同，这种技术无需植入电极或基因改造，或将推动非侵入性脑刺激技术的应用。

这种磁盘仅有约 250 纳米宽（约等于人类头发的 1/500），可以直接注射到大脑的指定位置。研究人员设想，通过在体外施加磁场，磁盘可以随时被激活。研究团队认为，这一技术在不久的将来可在生物医学研究中得到应用，甚至在经过严谨的测试后，可能用于临床。

这一研究成果发表在《自然纳米技术》期刊上，由 MIT 材料科学与工程系和脑与认知科学系教授 Polina Anikeeva、研究生 Ye Ji Kim 及其他来自 MIT 和德国的 17 位研究人员联合完成。

深部脑刺激（DBS）是一种常用的临床技术，通过在目标脑区植入电极来治疗帕金森症和强迫症等疾病。然而，这一技术涉及复杂的手术过程，且可能伴有并发症，限制了其应用范围。相比之下，这些新型纳米磁盘可能提供一种更温和的替代选择，达到类似的治疗效果。

近年来，科研人员提出了多种无植入脑部刺激方案，但在空间分辨率和深部定位方面依然存在局限。Anikeeva 的团队和其他研究人员利用磁性纳米材料将磁信号转化为脑部刺激，但此前技术依赖于基因改造，因而无法用于人类治疗。

研究生 Kim 提出，神经细胞对电信号有天然的敏感性，如果能够开发出一种将磁场转化为电信号的磁电材料，那么远程脑部刺激将变得可行。然而，开发这种纳米级的磁电材料充满挑战。

Kim 成功合成了新型磁电纳米磁盘，并与拥有物理学背景的博士后 Noah Kent 合作，进一步研究了这种颗粒的特性。

新磁盘结构由双层磁性核心和压电外壳构成。磁性核心在磁化时发生形变，进而产生压力作用于压电外壳，产生电信号。这种复合结构让磁盘在外加磁场作用下能够向神经元发出电脉冲。

磁盘的形状也至关重要。Kim 指出，传统的磁性纳米颗粒多为球形，磁电效应较弱，而这些扁平的磁盘能将磁致伸缩效应放大 1000 倍，Kent 补充道。

研究团队首先在培养的神经元中测试了纳米磁盘，利用短暂的磁场脉冲实现了对神经元的精准激活，且无需基因改造。

接下来，研究人员将磁电纳米磁盘注入小鼠大脑的特定区域。只需开启弱磁场，磁盘就能释放微弱电流对目标脑区进行远程刺激。Kim 表示，这种刺激对神经元活动及小鼠行为产生了显著影响。

研究团队还发现，这些纳米磁盘可以刺激深部脑区——例如与奖赏感受有关的腹侧被盖区。此外，他们还刺激了与运动控制相关的丘脑底核。Kim 解释道：“这正是传统上用来植入电极治疗帕金森症的区域。”研究显示，通过在小鼠一侧注射磁盘，外加磁场可以引导小鼠旋转，展示了对运动控制的调节效果。

相比传统电极，这种磁盘不仅能在亚秒级实现精确的脑部刺激，还显著降低了异物反应，使深部脑刺激更为安全。

尽管团队在增强磁致伸缩效应方面取得了显著进展，Anikeeva 指出，如何将这种磁效应有效地转化为电信号仍需进一步改进。尽管磁响应提升了 1000 倍，但电信号转化的提升仅为四倍。

Kim 表示，“这种 1000 倍的增强效应还没完全转化为电信号增强。”未来的研究将致力于进一步优化，将这种增幅完全转化到磁电耦合效果上。

Kent 补充道，磁盘形状对磁致伸缩的意外影响，正是团队未曾预料到的。

Anikeeva 表示：“虽然这款纳米磁盘创下纪录，但仍有优化空间。”研究团队已有进一步改进的设想。

尽管这些纳米磁盘已经可以应用于动物实验，但将其用于人类的临床测试仍需多个步骤，包括大规模的安全性验证。Anikeeva 指出，“这种验证通常并非学术研究的强项，当确认这些颗粒在特定临床情境中确实有效后，或许可以通过相关渠道推动更严格的大动物安全测试。”

这项研究由 MIT 材料科学与工程系、电气工程与计算机科学系、化学系及脑与认知科学系的研究人员共同完成，其他团队成员还包括电子研究实验室、麦戈文脑研究所、综合癌症研究中心的科学家及德国埃尔朗根-纽伦堡大学的研究人员。研究得到美国国立卫生研究院、国家补充与综合健康中心、国家神经疾病与中风研究所、麦戈文脑研究所和 K. Lisa Yang 和 Hock E. Tan 神经科学分子治疗学中心的资助。

https://news.mit.edu/2024/tiny-magnetic-discs-offer-remote-brain-stimulation-without-transgenes-1011