機(jī)械刺激神經(jīng)元的方法

除了對(duì)電刺激和化學(xué)刺激作出反應(yīng)之外，人體的許多神經(jīng)細(xì)胞還可以對(duì)機(jī)械作用做出反應(yīng)，例如壓力或振動(dòng)。但是，對(duì)于研究人員而言，這些反應(yīng)更加困難，因?yàn)闆]有容易控制的方法來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞的這種機(jī)械刺激?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)找到了一種新的方法。

這一發(fā)現(xiàn)可能為新型治療方法邁出了一步，類似于已經(jīng)用于治療帕金森氏病和其他疾病的基于電的神經(jīng)刺激。與那些需要外部電線連接的系統(tǒng)不同，新系統(tǒng)在最初注入粒子后將完全無(wú)接觸，并且可以通過(guò)外部施加的磁場(chǎng)任意激活。

這一發(fā)現(xiàn)在ACS Nano雜志上有所報(bào)道，該論文由前MIT博士后Danijela Gregurec，Alexander Senko博士'19，副教授Polina Anikeeva以及麻省理工學(xué)院，波士頓布萊根婦女醫(yī)院和西班牙的其他9位研究人員發(fā)表。

新方法為刺激體內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞開辟了一條新途徑，迄今為止，該途徑幾乎完全依賴于化學(xué)途徑，通過(guò)使用藥物或依賴于需要侵入性導(dǎo)線將電壓傳遞到體內(nèi)的電途徑。 。研究人員說(shuō)，這種機(jī)械刺激可以激活神經(jīng)元自身內(nèi)完全不同的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，可以提供重要的研究領(lǐng)域。

森科說(shuō)：“關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)的一件有趣的事是神經(jīng)元實(shí)際上可以檢測(cè)到力。”“這就是您的觸覺，以及聽覺和平衡感的工作方式。”該小組針對(duì)稱為背根神經(jīng)節(jié)的結(jié)構(gòu)中的特定神經(jīng)元群，該神經(jīng)元在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)之間形成界面，因?yàn)檫@些細(xì)胞對(duì)機(jī)械力特別敏感。

森科說(shuō)，該技術(shù)的應(yīng)用可能與生物電子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中正在開發(fā)的應(yīng)用類似，但是這些技術(shù)通常需要比被刺激的神經(jīng)元更大，更堅(jiān)硬的電極，從而限制了它們的精確度，有時(shí)甚至損壞了細(xì)胞。

新工藝的關(guān)鍵是開發(fā)具有異常磁性能的微小光盤，當(dāng)受到某種變化的磁場(chǎng)作用時(shí)，這可能導(dǎo)致它們開始顫動(dòng)。盡管粒子本身只有100納米左右，大約是他們?cè)噲D刺激的神經(jīng)元大小的百分之一，但它們可以被制造和大量注入，因此它們的作用合在一起足以激活細(xì)胞的壓力。受體。森科說(shuō)：“我們制造的納米粒子實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞可以檢測(cè)和響應(yīng)的力。”

Anikeeva說(shuō)，傳統(tǒng)的磁性納米粒子需要不切實(shí)際的大磁場(chǎng)才能被激活，因此，找到能夠在中等磁激活的情況下提供足夠力的材料是“一個(gè)非常困難的問題”。該解決方案被證明是一種新型的磁性納米光盤。

當(dāng)沒有施加外部磁場(chǎng)時(shí)，這些直徑為數(shù)百納米的圓盤包含原子自旋的渦旋結(jié)構(gòu)。這使粒子表現(xiàn)得好像完全沒有磁性，使它們?cè)谌芤褐懈裢夥€(wěn)定。當(dāng)這些磁盤受到幾毫特斯拉的非常弱的變化磁場(chǎng)(只有幾赫茲的低頻)時(shí)，它們會(huì)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部自旋在磁盤平面上全部對(duì)齊的狀態(tài)。這使這些納米光盤可以充當(dāng)杠桿-隨電場(chǎng)的方向上下擺動(dòng)。

材料科學(xué)與工程系以及腦與認(rèn)知科學(xué)系的副教授Anikeeva說(shuō)，這項(xiàng)工作結(jié)合了多個(gè)學(xué)科，包括導(dǎo)致這些納米圓盤發(fā)展的新化學(xué)，電磁效應(yīng)以及神經(jīng)刺激生物學(xué)的工作。 。

該團(tuán)隊(duì)首先考慮使用可以提供必要作用力的磁性金屬合金顆粒，但是這些顆粒不是生物相容性材料，而且價(jià)格過(guò)高。研究人員找到了一種使用赤鐵礦(一種良性氧化鐵)制成的顆粒的方法，該顆粒可以形成所需的圓盤形狀。然后將赤鐵礦轉(zhuǎn)化成磁鐵礦，該磁鐵礦具有所需的磁性，并且在人體中是良性的。這種從赤鐵礦到磁鐵礦的化學(xué)轉(zhuǎn)變將一根血紅色的顆粒管變成黑色。

格雷格雷克說(shuō)：“我們必須確認(rèn)這些粒子確實(shí)支持了這種非常不尋常的自旋態(tài)，即渦旋。”他們首先嘗試了新開發(fā)的納米顆粒，并使用西班牙同事提供的全息成像系統(tǒng)證明了這些顆粒確實(shí)按預(yù)期反應(yīng)，提供了必要的力來(lái)引起神經(jīng)元的反應(yīng)。結(jié)果于12月下旬公布，Anikeeva回憶說(shuō)：“每個(gè)人都認(rèn)為這是圣誕節(jié)禮物，當(dāng)我們得到第一張全息圖時(shí)，我們可以真正看到我們從理論上預(yù)測(cè)并從化學(xué)上懷疑的東西實(shí)際上是真實(shí)的。”

她說(shuō)，這項(xiàng)工作仍處于起步階段。“這是第一個(gè)證明，可以使用這些粒子將大的力傳導(dǎo)到神經(jīng)元的膜上，以刺激它們。”

她補(bǔ)充說(shuō)：“這開辟了一個(gè)廣闊的領(lǐng)域。……這意味著在神經(jīng)系統(tǒng)中細(xì)胞對(duì)機(jī)械力敏感的任何地方，實(shí)際上是任何器官，我們現(xiàn)在都可以調(diào)節(jié)該器官的功能。”她說(shuō)，這使科學(xué)向生物電子醫(yī)學(xué)的目標(biāo)邁進(jìn)了一步，該技術(shù)可以在不需要藥物或電極的情況下在單個(gè)器官或身體各個(gè)部位提供刺激。

標(biāo)簽： 刺激神經(jīng)元