纳米圆盘的磁芯具有磁致伸缩性，这意味着它在磁化时会改变形状。右侧的彩虹纳米圆盘正在改变形状，从而刺激粉红色的大脑神经元。图片来源：研究人员提供

这些设备可以作为生物医学研究的宝贵工具，并可能在未来具有临床应用的潜力。

麻省理工学院的研究人员报告称，新型磁性纳米圆盘可以提供一种侵入性小得多的刺激大脑部位的方法，为无需植入或基因改造的刺激疗法铺平了道路。

科学家们设想，这些直径约为 250 纳米（约为人类头发宽度的 1/500）的微型圆盘将被直接注射到大脑中的所需位置。从那里，只需在体外施加磁场，它们就可以随时被激活。这种新粒子很快就会在生物医学研究中得到应用，最终，经过充分的测试后，可能会应用于临床。

麻省理工学院材料科学与工程系和脑与认知科学系的教授 Polina Anikeeva、研究生 Ye Ji Kim 以及麻省理工学院和德国的其他 17 名研究人员在《自然纳米技术》杂志上发表了一篇论文，描述了这些纳米粒子的研发情况。

深部脑刺激 (DBS) 是一种常见的临床手术，利用植入目标脑区的电极来治疗帕金森病和强迫症等神经和精神疾病的症状。尽管深部脑刺激效果显著，但手术难度大、临床并发症多，限制了需要进行这种侵入性手术的病例数量。新型纳米圆盘可以提供一种更为温和的方式来达到同样的效果。

在过去十年中，人们开发了其他无需植入物即可产生脑刺激的方法。然而，这些方法往往受到其空间分辨率或针对深层区域的能力的限制。在过去十年中，Anikeeva 的生物电子学小组以及该领域的其他人使用磁性纳米材料将远程磁信号转换成脑刺激。然而，这些磁性方法依赖于基因改造，不能用于人类。

由于所有神经细胞都对电信号敏感，Anikeeva 团队的研究生 Kim 假设，一种能够有效将磁化转换为电势的磁电纳米材料可以为远程磁脑刺激提供一条途径。然而，制造纳米级磁电材料是一项艰巨的挑战。

这些微型圆盘的直径约为 250 纳米（约为人类头发宽度的 1/500）。显微镜图像显示了纳米圆盘的形成过程。左上角顺时针方向：磁性纳米圆盘 (MND)，构成核心；在 MND 核心上形成第一个外壳后，这里显示了核壳纳米圆盘 (CFOND)；插图显示了选定区域的电子衍射图案；底部面板显示了最终的核心双壳纳米圆盘。图片来源：研究人员提供

Kim 合成了新型磁电纳米圆盘，并与 Anikeeva 实验室的博士后、具有物理学背景、该研究的第二作者 Noah Kent 合作，以了解这些粒子的特性。

新型纳米圆盘的结构由双层磁芯和压电壳组成。磁芯具有磁致伸缩性，这意味着它在磁化时会改变形状。这种变形随后会在压电壳中引起应变，从而产生变化的电极化。通过这两种效应的结合，这些复合粒子在暴露于磁场时可以向神经元传递电脉冲。

圆盘有效性的关键之一是圆盘形状。Kim 表示，之前使用磁性纳米粒子的尝试使用了球形粒子，但磁电效应非常弱。Kent 补充说，这种各向异性使磁致伸缩性增强了 1000 多倍。

研究团队首先将纳米圆盘放入培养的神经元中，然后利用磁场短脉冲按需激活这些细胞。这种刺激不需要任何基因改造。

随后，他们将磁电纳米圆盘溶液的小液滴注入小鼠大脑的特定区域。然后，只需打开附近相对较弱的电磁铁，即可触发粒子在该大脑区域释放微小的电流。可以通过切换电磁铁来远程打开和关闭刺激。Kim 说，这种电刺激“对神经元活动和行为有影响”。

研究小组发现，磁电纳米圆盘可以刺激大脑深部区域，即腹侧被盖区，该区域与奖励感有关。

研究小组还刺激了与运动控制相关的另一个大脑区域，即丘脑底核。“这是通常植入电极来治疗帕金森病的区域，”Kim 解释道。研究人员能够成功演示通过粒子调节运动控制。具体来说，通过仅在一个半球注射纳米圆盘，研究人员可以通过施加磁场诱导健康小鼠旋转。

纳米圆盘可以触发与传统植入电极相当的神经元活动，后者会提供温和的电刺激。作者利用他们的方法实现了神经刺激的亚秒时间精度，但与电极相比，异物反应明显减少，这可能使深部脑刺激更加安全。

新型多层纳米盘的多层化学成分和物理形状及尺寸使得精确刺激成为可能。

Anikeeva 表示，虽然研究人员成功提高了磁致伸缩效应，但该过程的第二部分，即将磁效应转化为电输出，仍需要做更多工作。虽然磁响应提高了一千倍，但转换为电脉冲的效果仅比传统球形粒子提高了四倍。

“这种一千倍的大幅增强并没有完全转化为磁电增强，”Kim 指出：“未来的大量工作将集中于此，确保磁致伸缩的千倍放大可以转化为磁电耦合的千倍放大。”

研究小组发现，粒子形状影响磁致伸缩的方式相当出乎意料。“当我们试图弄清楚这些粒子为何如此有效时，这似乎是一种新事物。”Kent 说。

Anikeeva 补充道：“是的，这是一个破纪录的粒子，但它的破纪录程度还没有达到应有的程度。”这仍然是一个有待进一步研究的课题，但该团队对于如何取得进一步进展已经有了想法。

虽然这些纳米圆盘原则上已经可以应用于使用动物模型的基础研究，但要将它们转化为人类临床应用还需要几个步骤，包括大规模安全性研究，“这是学术研究人员不一定最适合做的事情，”Anikeeva 说：“当我们发现这些粒子在特定的临床环境中确实有用时，我们想象会有一条途径让它们进行更严格的大型动物安全性研究。”

该团队包括麻省理工学院材料科学与工程系、电气工程与计算机科学系、化学系和脑与认知科学系、电子研究实验室、麦戈文脑研究所、科赫综合癌症研究所以及德国埃尔朗根弗里德里希-亚历山大大学的研究人员。这项工作得到了美国国立卫生研究院、美国国家补充和综合健康中心、美国国家神经疾病和中风研究所、麦戈文脑研究所以及 K. Lisa Yang 和 Hock E. Tan 神经科学分子治疗中心的部分支持。

参考资料：“磁电纳米圆盘实现无线非转基因神经调节”，作者：Ye Ji Kim、Noah Kent、Emmanuel Vargas Paniagua、Nicolette Driscoll、Anthony Tabet、Florian Koehler、Elian Malkin、Ethan Frey、Marie Manthey、Atharva Sahasrabudhe、Taylor M. Cannon，长尾圭介、大卫·曼库斯、玛格丽特·比舍尔、乔瓦尼·德·诺拉、 Abigail Lytton-Jean、Lorenzo Signorelli、Danijela Gregurec 和 Polina Anikeeva，2024 年 10 月 11 日，《自然·纳米技术》。DOI：10.1038/s41565-024-01798-9

作者： David L. Chandler，麻省理工学院

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