En mekanisk måde at stimulere neuroner på

Ud over at reagere på elektriske og kemiske stimuli, mange af kroppens neurale celler kan også reagere på mekaniske effekter, såsom tryk eller vibrationer. Men disse svar har været sværere for forskere at studere, fordi der ikke har været nogen let kontrollerbar metode til at inducere en sådan mekanisk stimulering af cellerne. Nu, forskere ved MIT og andre steder har fundet en ny metode til at gøre netop det.

Fundet kan være et skridt i retning af nye former for terapeutiske behandlinger, svarende til elektrisk baseret neurostimulering, der er blevet brugt til at behandle Parkinsons sygdom og andre tilstande. I modsætning til disse systemer, som kræver en ekstern ledningsforbindelse, det nye system ville være fuldstændig kontaktfrit efter en indledende indsprøjtning af partikler, og kunne genaktiveres efter ønske gennem et eksternt påført magnetfelt.

Fundet er rapporteret i journalen ACS Nano , i et papir af tidligere MIT postdoc Danijela Gregurec, Alexander Senko Ph.D. '19, Lektor Polina Anikeeva, og ni andre på MIT, på Boston's Brigham and Women's Hospital, og i Spanien.

Den nye metode åbner en ny vej til stimulering af nerveceller i kroppen, som hidtil næsten udelukkende har været afhængig af begge kemiske veje, ved brug af lægemidler, eller på elektriske veje, som kræver invasive ledninger for at levere spænding ind i kroppen. Denne mekaniske stimulation, som aktiverer helt forskellige signalveje i selve neuronerne, kunne give et betydeligt studieområde, siger forskerne.

"En interessant ting ved nervesystemet er, at neuroner faktisk kan detektere kræfter, " siger Senko. "Sådan fungerer din følesans, og også din høresans og balance." Holdet målrettede en bestemt gruppe af neuroner inden for en struktur kendt som den dorsale rodganglion, som danner en grænseflade mellem det centrale og perifere nervesystem, fordi disse celler er særligt følsomme over for mekaniske kræfter.

Anvendelserne af teknikken kan ligne dem, der udvikles inden for bioelektroniske lægemidler, Senko siger, men de kræver elektroder, der typisk er meget større og stivere end de neuroner, der stimuleres, begrænse deres præcision og nogle gange beskadige celler.

Nøglen til den nye proces var at udvikle små diske med en usædvanlig magnetisk egenskab, hvilket kan få dem til at begynde at flagre, når de udsættes for en bestemt form for varierende magnetfelt. Selvom partiklerne i sig selv kun er omkring 100 nanometer på tværs, omkring en hundrededel af størrelsen af ​​de neuroner, de forsøger at stimulere, de kan laves og injiceres i store mængder, således at deres effekt tilsammen er stærk nok til at aktivere cellens trykreceptorer. "Vi lavede nanopartikler, der faktisk producerer kræfter, som celler kan detektere og reagere på, " siger Senko.

Anikeeva siger, at konventionelle magnetiske nanopartikler ville have krævet upraktisk store magnetiske felter for at blive aktiveret, så at finde materialer, der kunne give tilstrækkelig kraft med kun moderat magnetisk aktivering, var "et meget svært problem." Løsningen viste sig at være en ny slags magnetiske nanodiske.

Disse diske, som er hundredvis af nanometer i diameter, indeholde en hvirvelkonfiguration af atomare spins, når der ikke er påført eksterne magnetfelter. Dette får partiklerne til at opføre sig, som om de slet ikke var magnetiske, hvilket gør dem exceptionelt stabile i løsninger. Når disse skiver udsættes for et meget svagt varierende magnetfelt på nogle få millitesla, med en lav frekvens på kun flere hertz, de skifter til en tilstand, hvor de interne spins alle er justeret i skiveplanet. Dette gør det muligt for disse nanodiske at fungere som løftestænger - vrikke op og ned med feltets retning.

Anikeeva, der er lektor i afdelingerne for Materialevidenskab og Teknik og Hjerne- og Kognitionsvidenskab, siger, at dette arbejde kombinerer flere discipliner, inklusiv ny kemi, der førte til udvikling af disse nanodiske, sammen med elektromagnetiske effekter og arbejde med neurostimuleringens biologi.

Holdet overvejede først at bruge partikler af en magnetisk metallegering, der kunne levere de nødvendige kræfter, men disse var ikke biokompatible materialer, og de var uoverkommeligt dyre. Forskerne fandt en måde at bruge partikler lavet af hæmatit, en godartet jernoxid, som kan danne de nødvendige skiveformer. Hæmatitten blev derefter omdannet til magnetit, som har de magnetiske egenskaber, de havde brug for, og som er kendt for at være godartede i kroppen. Denne kemiske transformation fra hæmatit til magnetit forvandler dramatisk et blodrødt rør af partikler til kulsort.

"Vi var nødt til at bekræfte, at disse partikler faktisk understøttede denne virkelig usædvanlige spin-tilstand, denne hvirvel, " siger Gregurec. De prøvede først de nyudviklede nanopartikler og beviste, ved hjælp af holografiske billeddannelsessystemer leveret af kolleger i Spanien, at partiklerne virkelig reagerede som forventet, at give de nødvendige kræfter til at fremkalde reaktioner fra neuroner. Resultaterne kom i slutningen af ​​december, og "alle troede, det var en julegave, " husker Anikeeva, "da vi fik vores første hologrammer, og vi kunne virkelig se, at det, vi teoretisk har forudsagt og kemisk mistænkt faktisk var fysisk sandt."

Arbejdet er stadig i sin vorden, hun siger. "Dette er en allerførste demonstration af, at det er muligt at bruge disse partikler til at transducere store kræfter til membraner af neuroner for at stimulere dem."

Hun tilføjer, "det åbner et helt felt af muligheder. ... Det betyder, at hvor som helst i nervesystemet, hvor celler er følsomme over for mekaniske kræfter, og det er stort set ethvert organ, vi kan nu modulere funktionen af ​​det organ." Det bringer videnskaben et skridt nærmere, hun siger, til målet om bioelektronisk medicin, der kan give stimulering på niveau med individuelle organer eller dele af kroppen, uden behov for medicin eller elektroder.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.