除了對電刺激和化學刺激作出反應之外,人體的許多神經細胞還可以對機械作用做出反應,例如壓力或振動。但是,對于研究人員而言,這些反應更加困難,因為沒有容易控制的方法來誘導細胞的這種機械刺激。現在,麻省理工學院和其他地方的研究人員已經找到了一種新的方法。

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

這一發現在ACS Nano雜志上有所報道,該論文由前MIT博士后Danijela Gregurec,Alexander Senko博士'19,副教授Polina Anikeeva以及麻省理工學院,波士頓布萊根婦女醫院和西班牙的其他9位研究人員發表。

新方法為刺激體內神經細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途徑,通過使用藥物或依賴于需要侵入性導線將電壓傳遞到體內的電途徑。 。研究人員說,這種機械刺激可以激活神經元自身內完全不同的信號傳導途徑,可以提供重要的研究領域。

森科說:“關于神經系統的一件有趣的事是神經元實際上可以檢測到力。”“這就是您的觸覺,以及聽覺和平衡感的工作方式。”該小組針對稱為背根神經節的結構中的特定神經元群,該神經元在中樞神經系統和周圍神經系統之間形成界面,因為這些細胞對機械力特別敏感。

森科說,該技術的應用可能與生物電子醫學領域中正在開發的應用類似,但是這些技術通常需要比被刺激的神經元更大,更堅硬的電極,從而限制了它們的精確度,有時甚至損壞了細胞。

新工藝的關鍵是開發具有異常磁性能的微小光盤,當受到某種變化的磁場作用時,這可能導致它們開始顫動。盡管粒子本身只有100納米左右,大約是他們試圖刺激的神經元大小的百分之一,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胞的壓力。受體。森科說:“我們制造的納米粒子實際上會產生細胞可以檢測和響應的力。”

Anikeeva說,傳統的磁性納米粒子需要不切實際的大磁場才能被激活,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。

當沒有施加外部磁場時,這些直徑為數百納米的圓盤包含原子自旋的渦旋結構。這使粒子表現得好像完全沒有磁性,使它們在溶液中格外穩定。當這些磁盤受到幾毫特斯拉的非常弱的變化磁場(只有幾赫茲的低頻)時,它們會轉換為內部自旋在磁盤平面上全部對齊的狀態。這使這些納米光盤可以充當杠桿-隨電場的方向上下擺動。

材料科學與工程系以及腦與認知科學系的副教授Anikeeva說,這項工作結合了多個學科,包括導致這些納米圓盤發展的新化學,電磁效應以及神經刺激生物學的工作。 。

該團隊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,而且價格過高。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轉變將一根血紅色的顆粒管變成黑色。

格雷格雷克說:“我們必須確認這些粒子確實支持了這種非常不尋常的自旋態,即渦旋。”他們首先嘗試了新開發的納米顆粒,并使用西班牙同事提供的全息成像系統證明了這些顆粒確實按預期反應,提供了必要的力來引起神經元的反應。結果于12月下旬公布,Anikeeva回憶說:“每個人都認為這是圣誕節禮物,當我們得到第一張全息圖時,我們可以真正看到我們從理論上預測并從化學上懷疑的東西實際上是真實的。”

她說,這項工作仍處于起步階段。“這是第一個證明,可以使用這些粒子將大的力傳導到神經元的膜上,以刺激它們。”

她補充說:“這開辟了一個廣闊的領域。……這意味著在神經系統中細胞對機械力敏感的任何地方,實際上是任何器官,我們現在都可以調節該器官的功能。”她說,這使科學向生物電子醫學的目標邁進了一步,該技術可以在不需要藥物或電極的情況下在單個器官或身體各個部位提供刺激。

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