ملخص: قام العلماء بتطوير أقراص نانوية مغناطيسية تمكن من تحفيز الدماغ المستهدف دون الحاجة إلى عمليات زرع غازية أو تعديلات وراثية. تقوم الأقراص الصغيرة، التي يتم تنشيطها بواسطة مجال مغناطيسي خارجي، بتوصيل نبضات كهربائية إلى الخلايا العصبية، مما يظهر إمكانية علاج الحالات العصبية.
وأظهرت التجارب الأولية على الفئران أن هذه الأقراص النانوية حفزت بشكل فعال مناطق الدماغ المرتبطة بالمكافأة والتحكم الحركي، مع استجابات أقل للأجسام الغريبة مقارنة بالمزروعات التقليدية. تمثل الدراسة خطوة نحو علاجات جديدة أقل تدخلاً لاضطرابات الدماغ.
تهدف التطورات المستقبلية إلى تحسين خرج النبضات الكهربائية للأقراص لتحقيق كفاءة أكبر. ومع المزيد من الأبحاث، يمكن أن تصبح هذه الأقراص النانوية أدوات قيمة في الأبحاث والعلاجات العصبية.
حقائق رئيسية:
- توفر الأقراص النانوية تحفيزًا كهربائيًا عند تنشيطها بواسطة مغناطيس خارجي.
- أظهرت التجارب على الفئران تحفيزًا فعالاً لمناطق الدماغ المتعلقة بالمكافأة والوظائف الحركية.
- سوف تركز الأبحاث المستقبلية على تضخيم الخرج الكهربائي للأقراص النانوية للتطبيقات الطبية.
مصدر: مع
أفاد باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الأقراص النانوية المغناطيسية الجديدة يمكن أن توفر طريقة أقل تدخلاً بكثير لتحفيز مناطق الدماغ، مما يمهد الطريق لعلاجات التحفيز دون زرع أو تعديل وراثي.
يعتقد العلماء أن الأقراص الصغيرة، التي يبلغ عرضها حوالي 250 نانومتر (1/500 عرض شعرة الإنسان)، يمكن حقنها مباشرة في الدماغ إلى الموقع المطلوب. ومن هناك، يمكن تفعيلها في أي وقت عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي خارج الجسم.
يمكن للجسيمات الجديدة أن تجد تطبيقات بسرعة في أبحاث الطب الحيوي، وفي النهاية، بعد إجراء الاختبارات المناسبة، يمكن استخدامها في التطبيقات السريرية.
تم وصف تطور هذه الجسيمات النانوية في المجلة تكنولوجيا النانو الطبيعةفي مقال بقلم بولينا أنيكييفا، الأستاذة في أقسام علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وعلوم الدماغ والإدراك، وطالبة الدراسات العليا يي جي كيم و17 آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وألمانيا.
التحفيز العميق للدماغ (DBS) هو إجراء طبي شائع يستخدم أقطاب كهربائية مزروعة في مناطق الدماغ المستهدفة لعلاج أعراض الحالات العصبية والنفسية مثل مرض باركنسون واضطراب الوسواس القهري.
على الرغم من فعاليته، فإن الصعوبة الجراحية والمضاعفات السريرية المرتبطة بـ DBS تحد من عدد الحالات التي يكون فيها مثل هذا الإجراء الغزوي مبررًا. يمكن للأقراص النانوية الجديدة أن توفر طريقة أكثر اعتدالًا لتحقيق نفس النتائج.
تم تطوير طرق أخرى خالية من الزرع لتوليد تحفيز الدماغ في العقد الماضي. ومع ذلك، كانت هذه الأساليب محدودة في كثير من الأحيان بسبب دقتها المكانية أو قدرتها على استهداف المناطق العميقة.
على مدار العقد الماضي، استخدمت مجموعة الإلكترونيات الحيوية التابعة لأنيكييفا وآخرين في هذا المجال مواد مغناطيسية نانوية لتحويل الإشارات الكهرومغناطيسية إلى محفزات دماغية. ومع ذلك، اعتمدت هذه الطرق المغناطيسية على التعديلات الجينية ولا يمكن استخدامها في البشر.
وبما أن جميع الخلايا العصبية حساسة للإشارات الكهربائية، فقد افترض كيم، وهو طالب دراسات عليا في مجموعة أنيكييفا، أن مادة نانوية كهرومغناطيسية يمكنها تحويل المغنطة إلى طاقة كهربائية يمكن أن توفر طريقًا لتحفيز الدماغ المغناطيسي عن بعد. ومع ذلك، فإن إنشاء مادة كهرومغناطيسية نانوية الحجم كان يمثل تحديًا هائلًا.
تعاون كيم مع نواه كينت، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر أنيكييفا وله خلفية في الفيزياء، وهو المؤلف الثاني للدراسة، لتجميع أقراص نانوية كهرومغناطيسية جديدة وفهم خصائص هذه الجسيمات.
يتكون هيكل الأقراص النانوية الجديدة من نواة مغناطيسية ذات طبقتين وقذيفة كهرضغطية. النواة المغناطيسية مغناطيسية، أي أنها تغير شكلها عند ممغنطتها.
يؤدي هذا التشوه بعد ذلك إلى إجهاد الغلاف الكهرضغطي، مما يخلق قطبية كهربائية مختلفة. ومن خلال مزيج من التأثيرين، يمكن لهذه الجسيمات المركبة توصيل نبضات كهربائية إلى الخلايا العصبية عند تعرضها للمجالات المغناطيسية.
أحد مفاتيح أداء الأقراص هو شكل القرص. يقول كيم إن المحاولات السابقة لاستخدام الجسيمات النانوية المغناطيسية استخدمت جسيمات كروية، لكن التأثير الكهرومغناطيسي كان ضعيفًا للغاية. ويضيف كينت أن هذا التباين يزيد من الانقباض المغناطيسي بأكثر من 1000 مرة.
أضاف الفريق أولاً الأقراص النانوية الخاصة بهم إلى الخلايا العصبية المزروعة، مما سمح لهذه الخلايا بالتنشيط عند الطلب بنبضات قصيرة من المجال المغناطيسي. ولا يتطلب هذا التحفيز أي تعديل وراثي.
ثم قاموا بحقن قطرات صغيرة من محلول القرص الكهربائي النانوي المغناطيسي في مناطق محددة من أدمغة الفئران. بعد ذلك، يؤدي تشغيل مغناطيس كهربائي ضعيف نسبيًا في مكان قريب إلى تحفيز الجسيمات لإصدار تيار كهربائي صغير في تلك المنطقة من الدماغ.
يمكن تشغيل وإيقاف الزناد عن بعد عن طريق تغيير المغناطيس الكهربائي. يقول كيم إن هذا التحفيز الكهربائي “كان له تأثير على نشاط وسلوك الخلية العصبية”.
وجد الفريق أن الأقراص النانوية الكهربائية المغناطيسية حفزت منطقة عميقة في الدماغ، وهي المنطقة السقيفية البطنية، والتي ترتبط بمشاعر المكافأة.
قام الفريق أيضًا بتحفيز منطقة أخرى في الدماغ، وهي النواة تحت المهاد، المرتبطة بالتحكم الحركي.
يوضح كيم: “هذه هي المنطقة التي يتم فيها عادةً زرع الأقطاب الكهربائية لإدارة مرض باركنسون”.
تمكن الباحثون من إثبات تعديل التحكم الحركي بواسطة الجسيمات بنجاح. على وجه التحديد، من خلال حقن الأقراص النانوية في نصف الكرة الأرضية واحد فقط، تمكن الباحثون من تحفيز الدورة الدموية في الفئران السليمة عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي.
يمكن للأقراص النانوية أن تحفز نشاطًا عصبيًا مشابهًا للأقطاب الكهربائية التقليدية المزروعة التي توفر تحفيزًا كهربائيًا معتدلًا. حقق الباحثون دقة زمنية أقل من الثانية لتحفيز الأعصاب باستخدام طريقتهم، لكن تفاعلات الأجسام الغريبة انخفضت بشكل كبير مقارنة بالأقطاب الكهربائية، مما سمح حتى بتحفيز الدماغ بشكل آمن وعميق.
إن التركيب الكيميائي متعدد الطبقات والشكل المادي والحجم للأقراص النانوية الجديدة متعددة الطبقات جعل التشغيل الدقيق ممكنًا.
على الرغم من نجاح الباحثين في زيادة التأثير المغناطيسي، فإن الجزء الثاني من العملية، وهو تحويل التأثير المغناطيسي إلى مخرجات كهربائية، لا يزال يتطلب المزيد من العمل، كما تقول أنيكييفا.
وعلى الرغم من أن الانعكاس المغناطيسي كان أكبر بألف مرة، إلا أن التحول إلى نبض كهربائي كان أكبر بأربع مرات من تحويل الجسيمات الكروية التقليدية.
يقول كيم: “هذا التحسن الهائل بآلاف المرات لا يُترجم بالكامل إلى تعزيز كهرومغناطيسي”.
“سيركز الكثير من العمل المستقبلي على التأكد من أن الزيادة في الانقباض المغناطيسي يمكن ترجمتها إلى زيادة في الانقباض المغناطيسي بألف مرة.”
ما وجده الفريق كان غير متوقع تمامًا، من حيث الطريقة التي تؤثر بها أشكال الجسيمات على مغناطيسيتها.
يقول كينت: “كان هذا شيئًا جديدًا عندما حاولنا معرفة سبب عمل هذه الجسيمات بشكل جيد”.
تضيف أنيكييفا: “نعم، إنه جسيم حطم الأرقام القياسية، لكنه ليس محطمًا للأرقام القياسية كما ينبغي”. يظل هذا موضوعًا لمزيد من العمل، لكن الفريق لديه أفكار حول كيفية تحسينه بشكل أكبر.
على الرغم من أنه يمكن بالفعل استخدام هذه الأقراص النانوية في الأبحاث الأساسية باستخدام النماذج الحيوانية، إلا أن ترجمتها للاستخدام السريري على البشر ستتطلب العديد من الخطوات الإضافية، بما في ذلك دراسات السلامة واسعة النطاق، “والتي ليس بالضرورة أن يكون الباحثون الأكاديميون في وضع جيد للقيام بها”. يقول أنيكييفا.
“إذا وجدنا أن هذه الجسيمات أكثر فعالية في سياق سريري محدد، فإننا نتصور أنه سيكون هناك طريق لإخضاعها لدراسات أكثر صرامة على سلامة الحيوانات الكبيرة.”
ضم الفريق باحثين منتسبين إلى أقسام علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر، والكيمياء، وعلم الدماغ والعلوم المعرفية؛ مختبر أبحاث الإلكترونيات؛ معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ؛ ومعهد كوخ لأبحاث السرطان التكاملية؛ ومن جامعة فريدريش ألكسندر في إرلانجن بألمانيا.
تمويل: المعاهد الوطنية للصحة، والمركز الوطني للصحة التكميلية والتكاملية، والمعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية، ومعهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ، وK. ليزا يانغ وهوك إي. مركز دان للعلاجات الجزيئية في علم الأعصاب.
حول أخبار أبحاث التكنولوجيا العصبية
مؤلف: ديفيد ل. تشاندلر
مصدر: مع
اتصال: ديفيد ل. تشاندلر – معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
صورة: يُنسب الفيلم إلى Neuronews
البحث الأصلي: الوصول المفتوح.
“تتيح الأقراص النانوية الكهرومغناطيسية إمكانية التعديل العصبي اللاسلكي الخالي من الجينات” بولينا أنيكييفا وآخرون. تكنولوجيا النانو الطبيعة
ملخص
تتيح الأقراص النانوية الكهرومغناطيسية إمكانية التعديل العصبي اللاسلكي الخالي من الجينات
أحدث التحفيز العميق للدماغ باستخدام الأقطاب الكهربائية المزروعة ثورة في الدراسات العصبية وعلاج الحالات العصبية والنفسية. إن العثور على بدائل أقل تدخلاً للتحفيز العميق للدماغ سيؤدي إلى توسيع تطبيقاته السريرية والبحثية. تم استكشاف تحويل المجالات المغناطيسية بوساطة المواد النانوية إلى إمكانات كهربائية كوسيلة للتعديل العصبي عن بعد.
نحن هنا نقوم بتركيب الأقراص النانوية الكهرومغناطيسية (MENDs) باستخدام Fe ذو الغلاف المزدوج.3أوه4– قهوة2أوه4– باتيو3 بنية (قطر 250 نانومتر وسمك 50 نانومتر) مع اقتران كهرومغناطيسي فعال.
نلاحظ استجابات قوية لتحفيز المجال المغناطيسي في الخلايا العصبية المزينة بـ MENDs بكثافة 1 ميكروغرام مم .-2 على الرغم من أن إمكانات الجسيمات الفردية أقل من عتبة الإثارة العصبية. بالتزامن مع نظرية الكابلات، نقترح نموذجًا متكررًا لإزالة الاستقطاب تحت العتبة يدعم ملاحظاتنا في المختبر ويبلغ التحفيز الكهرومغناطيسي في الجسم الحي.
يتم حقنه في المنطقة السقيفية البطنية أو النواة تحت المهاد للفئران السليمة وراثياً بتركيزات 1 ملغ-1MENDs تمكن المكافأة أو التحكم عن بعد في السلوكيات الحركية، على التوالي.
مهدت هذه النتائج الطريق للتحسين الميكانيكي للتعديل العصبي الكهرومغناطيسي نحو التطبيقات في البحوث العصبية.