Nanodisc magnetik memberikan stimulasi otak tanpa implan

ringkasan: Para ilmuwan telah mengembangkan nanodisc magnetik yang memungkinkan stimulasi otak yang ditargetkan tanpa memerlukan implan invasif atau modifikasi genetik. Cakram kecil tersebut, diaktifkan oleh medan magnet eksternal, mengirimkan impuls listrik ke sel-sel saraf, menunjukkan potensi untuk mengobati kondisi neurologis.

Tes awal pada tikus menunjukkan bahwa nanodisc ini secara efektif menstimulasi area otak yang terkait dengan penghargaan dan kontrol motorik, dengan respons yang lebih sedikit terhadap benda asing dibandingkan implan tradisional. Studi ini mewakili sebuah langkah menuju pengobatan baru yang tidak terlalu invasif untuk gangguan otak.

Perbaikan di masa depan bertujuan untuk meningkatkan keluaran pulsa listrik dari cakram agar lebih efektif. Dengan penelitian lebih lanjut, nanodisc ini dapat menjadi alat yang berharga dalam penelitian dan perawatan neurologis.

Fakta penting:

• Nanodisc memberikan rangsangan listrik ketika diaktifkan oleh magnet eksternal.
• Pengujian yang dilakukan pada tikus menunjukkan stimulasi efektif pada area otak yang berkaitan dengan penghargaan dan fungsi motorik.
• Penelitian di masa depan akan fokus pada penguatan keluaran listrik nanodisc untuk penggunaan klinis.

sumber: Institut Teknologi Massachusetts

Nanodisc magnetik baru dapat memberikan cara yang jauh lebih tidak invasif untuk menstimulasi bagian otak, membuka jalan bagi perawatan stimulasi tanpa implan atau modifikasi genetik, para peneliti dari MIT melaporkan.

Para ilmuwan membayangkan bahwa cakram kecil, lebarnya sekitar 250 nanometer (sekitar 1/500 lebar rambut manusia), akan disuntikkan langsung ke lokasi yang diinginkan di otak. Dari sana, mereka dapat diaktifkan kapan saja hanya dengan menerapkan medan magnet di luar tubuh.

Partikel-partikel baru ini dapat dengan cepat diterapkan dalam penelitian biomedis dan, pada akhirnya, setelah pengujian yang memadai, dapat diterapkan pada penggunaan klinis.

Perkembangan nanopartikel ini dijelaskan dalam jurnal Nanoteknologi alamdalam makalah yang ditulis oleh Polina Anikieva, seorang profesor di Departemen Ilmu dan Teknik Material MIT dan Ilmu Otak dan Kognitif, mahasiswa pascasarjana Yi Ji Kim, dan 17 orang lainnya di MIT dan di Jerman.

Stimulasi otak dalam (DBS) adalah prosedur klinis umum yang menggunakan elektroda yang ditanamkan di area otak yang ditargetkan untuk mengatasi gejala kondisi neuropsikiatri seperti penyakit Parkinson dan gangguan obsesif-kompulsif.

Meskipun efektif, kesulitan bedah dan komplikasi klinis yang terkait dengan DBS membatasi jumlah kasus dimana prosedur invasif tersebut dapat dibenarkan. Nanodisc baru dapat memberikan cara yang lebih lancar untuk mencapai hasil yang sama.

Selama dekade terakhir, metode bebas implan lainnya telah dikembangkan untuk menghasilkan stimulasi otak. Namun, metode ini sering kali dibatasi oleh resolusi spasial atau kemampuannya untuk menargetkan wilayah yang dalam.

Selama dekade terakhir, kelompok Bioelektronik Anikeeva, serta kelompok lain di bidangnya, telah menggunakan bahan magnetik berskala nano untuk mengubah sinyal magnetik jarak jauh menjadi stimulasi otak. Namun, metode magnetis ini bergantung pada modifikasi genetik dan tidak dapat digunakan pada manusia.

Karena semua neuron sensitif terhadap sinyal listrik, Kim, seorang mahasiswa pascasarjana di kelompok Anikieva, berhipotesis bahwa bahan nano elektromagnetik yang secara efisien dapat mengubah magnetisasi menjadi potensial listrik dapat memberikan jalan menuju stimulasi otak magnetik jarak jauh. Namun, menciptakan material elektromagnetik berskala nano merupakan tantangan yang sangat besar.

Kim merakit nanodisc elektromagnetik baru dan berkolaborasi dengan Noah Kent, peneliti pascadoktoral di laboratorium Anikeeva dengan latar belakang fisika dan penulis kedua studi tersebut, untuk memahami sifat-sifat partikel ini.

Struktur nanodisc baru terdiri dari inti magnet dua lapis dan cangkang piezoelektrik. Inti magnet bersifat magnetotropik, artinya dapat berubah bentuk jika diberi magnet.

Deformasi ini kemudian menimbulkan tegangan pada kulit piezoelektrik yang menghasilkan polarisasi listrik yang bervariasi. Dengan menggabungkan kedua efek tersebut, partikel komposit ini dapat menghantarkan impuls listrik ke neuron saat terkena medan magnet.

Salah satu kunci efektivitas tablet adalah bentuk tablet. Upaya sebelumnya pada nanopartikel magnetik menggunakan partikel berbentuk bola, namun efek elektromagnetiknya sangat lemah, kata Kim. Kent menambahkan bahwa kontras ini meningkatkan kontraksi magnet lebih dari 1.000 kali lipat.

Tim pertama-tama menambahkan nanodisc mereka ke neuron yang dikultur, yang kemudian memungkinkan sel-sel ini diaktifkan sesuai permintaan menggunakan pulsa pendek medan magnet. Stimulasi ini tidak memerlukan modifikasi genetik apa pun.

Mereka kemudian menyuntikkan tetes kecil larutan nanodisc elektromagnetik ke area tertentu di otak tikus. Oleh karena itu, menyalakan elektromagnet yang relatif lemah di dekatnya akan menyebabkan partikel melepaskan kejutan listrik kecil ke area otak tersebut.

Stimulasi dapat dihidupkan dan dimatikan dari jarak jauh dengan mengaktifkan elektromagnet. Stimulasi listrik ini “berpengaruh pada aktivitas dan perilaku saraf,” kata Kim.

Tim menemukan bahwa nanodisc elektromagnetik dapat menstimulasi area jauh di dalam otak, area ventral tegmental, yang terkait dengan perasaan penghargaan.

Tim juga menstimulasi area lain di otak, inti subthalamic, yang berhubungan dengan kontrol motorik.

“Ini adalah area di mana elektroda biasanya ditanamkan untuk menangani penyakit Parkinson,” jelas Kim.

Para peneliti berhasil mendemonstrasikan modifikasi kendali motorik melalui partikel. Secara khusus, dengan menyuntikkan nanodisc hanya ke satu belahan bumi, para peneliti mampu menginduksi rotasi pada tikus sehat dengan menerapkan medan magnet.

Nanodisc dapat memicu aktivitas saraf yang sebanding dengan elektroda implan tradisional yang memberikan stimulasi listrik ringan. Para peneliti mencapai resolusi temporal sub-detik dari stimulasi saraf menggunakan metode mereka, namun mengamati penurunan respons benda asing secara signifikan dibandingkan dengan elektroda, yang memungkinkan stimulasi otak dalam lebih aman.

Komposisi kimia berlapis-lapis, bentuk dan ukuran fisik dari nanodisc berlapis-lapis baru inilah yang memungkinkan terjadinya mikrokatalisis.

Meskipun para peneliti telah berhasil meningkatkan efek retraksi magnet, bagian kedua dari proses tersebut, yaitu mengubah efek magnetis menjadi keluaran listrik, masih memerlukan lebih banyak upaya, kata Anikieva.

Meskipun respons magnetiknya seribu kali lebih besar, konversi menjadi pulsa listrik hanya empat kali lebih besar dibandingkan dengan partikel bola konvensional.

“Peningkatan besar-besaran yang mencapai ribuan kali lipat ini belum sepenuhnya diterjemahkan ke dalam peningkatan elektromagnetik,” kata Kim.

“Di sinilah banyak pekerjaan di masa depan akan difokuskan, untuk memastikan bahwa amplifikasi seribu kali dalam penyempitan magnetik dapat diubah menjadi amplifikasi seribu kali dalam kopling elektromagnetik.”

Apa yang ditemukan tim, mengenai bagaimana bentuk partikel mempengaruhi kontraksi magnetnya, benar-benar tidak terduga.

“Ini adalah sesuatu yang baru yang muncul ketika kami mencoba mencari tahu mengapa partikel-partikel ini bekerja dengan sangat baik,” kata Kent.

“Ya, ini adalah partikel rekor, tapi tidak memecahkan rekor sebagaimana mestinya,” tambah Anikieva. Hal ini masih menjadi topik untuk pekerjaan lebih lanjut, namun tim memiliki ide tentang bagaimana membuat kemajuan lebih lanjut.

Meskipun pada prinsipnya nanodisc ini dapat diterapkan pada penelitian dasar dengan menggunakan model hewan, menerjemahkannya ke dalam penggunaan klinis pada manusia akan memerlukan beberapa langkah lebih lanjut, termasuk studi keamanan skala besar, “sesuatu yang belum tentu dimiliki oleh para peneliti akademis untuk melakukan hal tersebut. .” “Situasi bagus.” “Saya harus melakukannya,” kata Anikieva.

“Ketika kami menemukan bahwa partikel-partikel ini benar-benar berguna dalam konteks klinis tertentu, kami membayangkan akan ada jalan bagi partikel-partikel ini untuk menjalani studi keselamatan hewan besar yang lebih ketat.”

Tim tersebut terdiri dari para peneliti yang berafiliasi dengan Departemen Ilmu dan Teknik Material MIT, Teknik Elektro dan Ilmu Komputer, Kimia, serta Ilmu Otak dan Kognitif; Laboratorium Penelitian Elektronika. Institut Penelitian Otak McGovern; Institut Koch untuk Penelitian Kanker Integratif; Dari Universitas Friedrich Alexander di Erlangen, Jerman.

Pembiayaan: Penelitian ini sebagian didukung oleh National Institutes of Health, National Center for Complementary and Integrative Health, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, McGovern Institute for Brain Research, dan K. Lisa Yang dan Hawke E. Tan Pusat Terapi Molekuler dalam Ilmu Saraf.

Tentang berita penelitian neuroteknologi

pengarang: David L.Chandler
sumber: Institut Teknologi Massachusetts
komunikasi: David L. Chandler – Institut Teknologi Massachusetts
gambar: Gambar dikreditkan ke Berita Neuroscience

Pencarian asli: Akses terbuka.
“Nanodisk elektromagnetik memungkinkan neuromodulasi nirkabel bebas gen” Ditulis oleh Polina Anikieva dkk. Nanoteknologi alam

ringkasan

Nanodisk elektromagnetik memungkinkan neuromodulasi nirkabel bebas gen

Stimulasi otak dalam menggunakan elektroda yang ditanamkan telah mengubah studi ilmu saraf dan pengobatan kondisi neuropsikiatri. Menemukan alternatif yang kurang invasif dibandingkan stimulasi otak dalam dapat memperluas penerapan klinis dan penelitiannya. Konversi medan magnet yang dimediasi material nano menjadi potensial listrik telah dieksplorasi sebagai sarana neuromodulasi jarak jauh.

Di sini kami mensintesis nanodisc elektromagnetik (MENDs) menggunakan Fe cangkang ganda₃Hai₄-kopi₂Hai₄-Teras₃ Struktur (diameter 250 nm dan ketebalan 50 nm) dengan kopling elektromagnetik yang efisien.

Kami menemukan respons yang kuat terhadap stimulasi medan magnet pada neuron yang dihiasi dengan MEND pada kepadatan 1 μg mm-^-2 Meskipun potensi partikel tunggal berada di bawah ambang eksitasi saraf. Kami mengusulkan model depolarisasi subambang berulang, yang, bersama dengan teori kabel, mendukung pengamatan kami secara in vitro dan menginformasikan stimulasi elektromagnetik in vivo.

Ini disuntikkan ke area tegmental ventral atau inti subthalamic tikus yang secara genetik normal pada konsentrasi 1 mg.^-1MEND masing-masing memungkinkan kendali jarak jauh atas hadiah atau perilaku motorik.

Temuan ini membuka jalan untuk meningkatkan mekanisme neuromodulasi elektromagnetik menuju aplikasi dalam penelitian ilmu saraf.