تحریک مغز با دیسک های نانویی مغناطیسی بدون نیاز به کاشت و تغییرات ژنتیکی

تحریک مغز با دیسک های نانویی مغناطیسی یک روش نوآورانه و کم‌تهاجمی است که می‌تواند به درمان اختلالات عصبی و روانی کمک کند. این نانودیسک‌ها با اندازه حدود 250 نانومتر به‌طور مستقیم در مغز تزریق می‌شوند و تنها با اعمال یک میدان مغناطیسی از خارج بدن فعال می‌شوند. این فناوری جدید می‌تواند به کاهش نیاز به روش‌های جراحی و تغییرات ژنتیکی در درمان‌های بالینی کمک کند.

پژوهشگران MIT گزارش می‌دهند که نانودیسک‌های مغناطیسی جدید می‌توانند راهی بسیار کم‌تهاجمی‌تر برای تحریک بخش‌هایی از مغز ارائه دهند و pave the way for stimulation therapies without implants or genetic modification. این دانشمندان تصور می‌کنند که دیسک‌های کوچک، که حدود 250 نانومتر عرض دارند (حدود 1/500 عرض موی انسان)، به‌طور مستقیم به محل مورد نظر در مغز تزریق می‌شوند. از آن نقطه به بعد، می‌توان آن‌ها را هر زمان که بخواهید تنها با اعمال یک میدان مغناطیسی از خارج بدن فعال کرد. این ذرات جدید می‌توانند به سرعت در تحقیقات بیومدیکال کاربرد پیدا کنند و سرانجام، پس از آزمایش‌های کافی، ممکن است در کاربردهای بالینی به کار گرفته شوند.

توسعه این نانوذرات در نشریه Nature Nanotechnology توصیف شده است، در مقاله‌ای به قلم پولینا آنیکوا، استاد در دپارتمان‌های علم مواد و مهندسی و علوم مغز و شناختی MIT، دانشجوی تحصیلات تکمیلی ی جی کیم و 17 نفر دیگر از MIT و آلمان.

تحریک عمیق مغز (DBS) یک روش بالینی رایج است که از الکترودهای کاشته شده در نواحی هدف مغز برای درمان علائم شرایط عصبی و روانی مانند بیماری پارکینسون و اختلال وسواسی-اجباری استفاده می‌کند. با وجود اثربخشی آن، دشواری‌های جراحی و عوارض بالینی مرتبط با DBS تعداد مواردی را که چنین روشی می‌تواند در آن‌ها به کار رود، محدود می‌کند. نانودیسک‌های جدید می‌توانند راهی بسیار ملایم‌تر برای دستیابی به همان نتایج ارائه دهند.

در طول دهه گذشته، روش‌های دیگری برای تولید تحریک مغز بدون کاشت توسعه یافته است. با این حال، این رویکردها معمولاً به دلیل محدودیت‌های دقت فضایی یا توانایی در هدف‌گیری نواحی عمیق محدود بودند. در طول دهه گذشته، گروه بیوالکترونیک آنیکوا و دیگران در این زمینه از مواد نانو مغناطیسی برای تبدیل سیگنال‌های مغناطیسی دور به تحریک مغز استفاده کرده‌اند. با این حال، این روش‌های مغناطیسی به تغییرات ژنتیکی وابسته بودند و نمی‌توانستند در انسان‌ها به کار گرفته شوند.

چون همه سلول‌های عصبی به سیگنال‌های الکتریکی حساس هستند، کیم، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در گروه آنیکوا، فرض کرد که یک ماده نانو مغناطیسی که بتواند به طور مؤثری مغناطش را به پتانسیل الکتریکی تبدیل کند، می‌تواند مسیری به سمت تحریک مغز با میدان مغناطیسی دور ارائه دهد. با این حال، ایجاد یک ماده مغناطیسی-الکتریکی در مقیاس نانو، چالش بزرگی بود.

کیم نانودیسک‌های مغناطیسی-الکتریکی جدیدی را سنتز کرد و با نوح کنت، پژوهشگر پست‌دکتری در آزمایشگاه آنیکوا که در زمینه فیزیک تخصص دارد و نویسنده دوم این مطالعه است، همکاری کرد تا خواص این ذرات را درک کند.

ساختار نانودیسک‌های جدید شامل یک هسته مغناطیسی دو لایه و یک پوسته پیزوالکتریک است. هسته مغناطیسی خاصیت مغناطیسی-کشسانی دارد، به این معنی که در هنگام مغناطش شکل آن تغییر می‌کند. این تغییر شکل سپس تنش‌هایی در پوسته پیزوالکتریک ایجاد می‌کند که منجر به تولید قطبش الکتریکی متغیر می‌شود. از طریق ترکیب این دو اثر، این ذرات ترکیبی می‌توانند در معرض میدان‌های مغناطیسی، پالس‌های الکتریکی را به نورون‌ها تحویل دهند.

یکی از کلیدهای مؤثر بودن دیسک‌ها، شکل دیسکی آن‌هاست. تلاش‌های قبلی برای استفاده از نانوذرات مغناطیسی از ذرات کروی استفاده کرده بودند، اما اثر مغناطیسی-الکتریکی بسیار ضعیف بود. این بی‌نظمی باعث افزایش مغناطیسی-کشسانی به بیش از 1000 برابر می‌شود.

این تیم در ابتدا نانودیسک‌های خود را به نورون‌های کشت‌شده اضافه کردند، که به آن‌ها امکان می‌داد تا این سلول‌ها را به‌طور دلخواه با پالس‌های کوتاه میدان مغناطیسی فعال کنند. این تحریک نیاز به هیچ‌گونه تغییرات ژنتیکی نداشت.

سپس، آن‌ها قطرات کوچکی از محلول نانودیسک‌های مغناطیسی-الکتریکی را به نواحی خاصی از مغز موش‌ها تزریق کردند. سپس، تنها با روشن کردن یک الکترومغناطیس نسبتاً ضعیف نزدیک، ذرات به تولید یک جرقه کوچک برق در آن ناحیه مغز تحریک می‌شدند. این تحریک می‌توانست به‌صورت دورانی و با خاموش و روشن کردن الکترومغناطیس به‌سادگی کنترل شود. تحریک الکتریکی «بر روی فعالیت نورون و رفتار تأثیر داشت» می‌گوید کیم.

این تیم متوجه شد که نانودیسک‌های مغناطیسی-الکتریکی می‌توانند ناحیه عمیقی از مغز، ناحیه ونتراول تگمنتال، که به احساس پاداش مربوط می‌شود، را تحریک کنند.

این تیم همچنین ناحیه دیگری از مغز، هسته ساب‌تالامیک، که با کنترل حرکات مرتبط است، را تحریک کرد. «این ناحیه جایی است که الکترودها معمولاً برای مدیریت بیماری پارکینسون کاشته می‌شوند» کیم توضیح می‌دهد. پژوهشگران موفق شدند تا از طریق ذرات، کنترل حرکتی را مدوله کنند. به‌طور خاص، با تزریق نانودیسک‌ها تنها در یک نیمکره، پژوهشگران می‌توانستند با اعمال میدان مغناطیسی، چرخش‌هایی در موش‌های سالم ایجاد کنند.

نانودیسک‌ها می‌توانند فعالیت‌های نورونی مشابه با الکترودهای کاشته‌شده که تحریک الکتریکی ملایمی را ارائه می‌دهند، به‌وجود آورند. نویسندگان این روش را با دقت زمانی زیر ثانیه برای تحریک نورونی به دست آوردند، در حالی که پاسخ‌های بدنی خارجی به‌طرز قابل‌ملاحظه‌ای نسبت به الکترودها کاهش یافته بود، که این می‌تواند به تحریک عمیق مغز با ایمنی بیشتری منجر شود.

ترکیب شیمیایی چندلایه و شکل فیزیکی و اندازه نانودیسک‌های جدید، آن‌ها را قادر به تحریک دقیق کرده است.

در حالی که پژوهشگران موفق به افزایش اثر مغناطیسی-کشسانی شده‌اند، بخش دوم این فرایند، تبدیل اثر مغناطیسی به خروجی الکتریکی، هنوز به کار بیشتری نیاز دارد، آنیکوا می‌گوید. در حالی که پاسخ مغناطیسی 1000 برابر بیشتر بود، تبدیل به یک پالس الکتریکی تنها چهار برابر بیشتر از ذرات کروی معمولی بود.

«این افزایش عظیم 1000 برابری به‌طور کامل به تقویت مغناطیسی-الکتریکی تبدیل نشد» می‌گوید کیم. «این‌جاست که بخش زیادی از کار آینده متمرکز خواهد بود، بر روی اطمینان از اینکه تقویت 1000 برابری در مغناطیسی-کشسانی بتواند به تقویت 1000 برابری در اتصال مغناطیسی-الکتریکی تبدیل شود.»

آنچه این تیم در مورد نحوه تأثیر شکل ذرات بر مغناطیسی-کشسانی آن‌ها پیدا کرده، کاملاً غیرمنتظره بود. «این تقریباً یک چیز جدید است که فقط زمانی که سعی کردیم بفهمیم چرا این ذرات به‌خوبی کار می‌کنند، ظاهر شد» می‌گوید کنت.

آنیکوا اضافه می‌کند: «بله، این یک ذره رکوردشکن است، اما به اندازه‌ای که می‌توانست، رکوردشکن نیست». این هنوز موضوعی برای کار بیشتر است، اما تیم ایده‌هایی برای پیشرفت بیشتر دارد.

در حالی که این نانودیسک‌ها در اصل می‌توانند برای تحقیقات پایه با استفاده از مدل‌های حیوانی به کار گرفته شوند، برای ترجمه آن‌ها به کاربرد بالینی در انسان‌ها نیاز به چند مرحله دیگر دارد، از جمله مطالعات ایمنی در مقیاس بزرگ، «که چیزی است که پژوهشگران دانشگاهی به‌طور خاص در آن زمینه جایگاه خوبی ندارند» آنیکوا می‌گوید. «وقتی بفهمیم که این ذرات در یک زمینه بالینی خاص واقعاً مفید هستند، تصور می‌کنیم که یک مسیر برای آن‌ها برای انجام مطالعات ایمنی دقیق بر روی حیوانات بزرگ‌تر وجود خواهد داشت.»