麻省理工學(xué)院開發(fā)腦部精準(zhǔn)刺激無創(chuàng)“納米磁盤”

美國麻省理工學(xué)院研究人員近日開發(fā)出一種全新的磁性納米磁盤，為腦部刺激療法帶來了低侵入性的選擇。與傳統(tǒng)植入手術(shù)不同，這種技術(shù)無需植入電極或基因改造，或?qū)⑼苿臃乔秩胄阅X刺激技術(shù)的應(yīng)用。

這種磁盤僅有約250納米寬（約等于人類頭發(fā)的1/500），可以直接注射到大腦的指定位置。研究人員設(shè)想，通過在體外施加磁場，磁盤可以隨時被激活。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一技術(shù)在不久的將來可在生物醫(yī)學(xué)研究中得到應(yīng)用，甚至在經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試后用于臨床。

這一研究成果發(fā)表在《自然納米技術(shù)》期刊上，由麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系和腦與認(rèn)知科學(xué)系教授波利娜·阿尼基耶娃、研究生金藝智（音）及其他來自麻省理工學(xué)院和德國的17位研究人員聯(lián)合完成。

深部腦刺激（DBS）是一種常用的臨床技術(shù)，通過在目標(biāo)腦區(qū)植入電極來治療帕金森癥和強(qiáng)迫癥等疾病。然而，這一技術(shù)涉及復(fù)雜的手術(shù)過程，且可能伴有并發(fā)癥，限制了其應(yīng)用范圍。相比之下，這些新型納米磁盤可能提供一種更溫和的替代選擇，達(dá)到類似的治療效果。

近年來，科研人員提出了多種無植入腦部刺激方案，但在空間分辨率和深部定位方面依然存在局限。阿尼基耶娃的團(tuán)隊(duì)和其他研究人員利用磁性納米材料將磁信號轉(zhuǎn)化為腦部刺激，但此前技術(shù)依賴于基因改造，因而無法用于人類治療。

研究生金藝智提出，神經(jīng)細(xì)胞對電信號有天然的敏感性，如果能夠開發(fā)出一種將磁場轉(zhuǎn)化為電信號的磁電材料，那么遠(yuǎn)程腦部刺激將變得可行。然而，開發(fā)這種納米級的磁電材料充滿挑戰(zhàn)。

金藝智成功合成了新型磁電納米磁盤，并與擁有物理學(xué)背景的博士后諾亞·肯特合作，進(jìn)一步研究了這種顆粒的特性。

新磁盤結(jié)構(gòu)由雙層磁性核心和壓電外殼構(gòu)成。磁性核心在磁化時發(fā)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生壓力作用于壓電外殼，產(chǎn)生電信號。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)讓磁盤在外加磁場作用下能夠向神經(jīng)元發(fā)出電脈沖。

磁盤的形狀也至關(guān)重要。金藝智指出，傳統(tǒng)的磁性納米顆粒多為球形，磁電效應(yīng)較弱，而這些扁平的磁盤能將磁致伸縮效應(yīng)放大1000倍。

研究團(tuán)隊(duì)首先在培養(yǎng)的神經(jīng)元中測試了納米磁盤，利用短暫的磁場脈沖實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)元的精準(zhǔn)激活，且無需基因改造。

接下來，研究人員將磁電納米磁盤注入小鼠大腦的特定區(qū)域。只需開啟弱磁場，磁盤就能釋放微弱電流對目標(biāo)腦區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程刺激。金藝智表示，這種刺激對神經(jīng)元活動及小鼠行為產(chǎn)生了顯著影響。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，這些納米磁盤可以刺激深部腦區(qū)——例如與獎賞感受有關(guān)的腹側(cè)被蓋區(qū)。此外，他們還刺激了與運(yùn)動控制相關(guān)的丘腦底核。金藝智解釋道：“這正是傳統(tǒng)上用來植入電極治療帕金森癥的區(qū)域。”研究顯示，通過在小鼠一側(cè)注射磁盤，外加磁場可以引導(dǎo)小鼠旋轉(zhuǎn)，展示了對運(yùn)動控制的調(diào)節(jié)效果。

相比傳統(tǒng)電極，這種磁盤不僅能在亞秒級實(shí)現(xiàn)精確的腦部刺激，還顯著降低了異物反應(yīng)，使深部腦刺激更為安全。

盡管團(tuán)隊(duì)在增強(qiáng)磁致伸縮效應(yīng)方面取得了顯著進(jìn)展，阿尼基耶娃指出，如何將這種磁效應(yīng)有效地轉(zhuǎn)化為電信號仍需進(jìn)一步改進(jìn)。盡管磁響應(yīng)提升了1000倍，但電信號轉(zhuǎn)化的提升僅為4倍。

金藝智表示，“這種1000倍的增強(qiáng)效應(yīng)還沒完全轉(zhuǎn)化為電信號增強(qiáng)。”未來的研究將致力于進(jìn)一步優(yōu)化，將這種增幅完全轉(zhuǎn)化到磁電耦合效果上。

諾亞·肯特補(bǔ)充道，磁盤形狀對磁致伸縮的意外影響，正是團(tuán)隊(duì)未曾預(yù)料到的。

阿尼基耶娃表示：“雖然這款納米磁盤創(chuàng)下紀(jì)錄，但仍有優(yōu)化空間。”研究團(tuán)隊(duì)已有進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想。

盡管這些納米磁盤已經(jīng)可以應(yīng)用于動物實(shí)驗(yàn)，但將其用于人類的臨床測試仍需多個步驟，包括大規(guī)模的安全性驗(yàn)證。阿尼基耶娃指出，這種驗(yàn)證通常并非學(xué)術(shù)研究的強(qiáng)項(xiàng)，當(dāng)確認(rèn)這些顆粒在特定臨床情境中確實(shí)有效后，或許可以通過相關(guān)渠道推動更嚴(yán)格的大動物安全測試。

這項(xiàng)研究由麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系、電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系、化學(xué)系及腦與認(rèn)知科學(xué)系的研究人員共同完成，其他團(tuán)隊(duì)成員還包括電子研究實(shí)驗(yàn)室、麥戈文腦研究所、綜合癌癥研究中心的科學(xué)家及德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)的研究人員。（綜合整理報道）（策劃/克珂）