美國麻省理工學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)植入手術不同，這種技術無需植入電極或基因改造，或將推動非侵入性腦刺激技術的應用。

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。研究人員設想，通過在體外施加磁場，磁盤可以隨時被激活。研究團隊認為，這一技術在不久的將來可在生物醫(yī)學研究中得到應用，甚至在經(jīng)過嚴謹?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》期刊上，由麻省理工學院材料科學與工程系和腦與認知科學系教授波利娜·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，通過在目標腦區(qū)植入電極來治療帕金森癥和強迫癥等疾病。然而，這一技術涉及復雜的手術過程，且可能伴有并發(fā)癥，限制了其應用范圍。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。阿尼基耶娃的團隊和其他研究人員利用磁性納米材料將磁信號轉化為腦部刺激，但此前技術依賴于基因改造，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)出一種將磁場轉化為電信號的磁電材料，那么遠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，并與擁有物理學背景的博士后諾亞·肯特合作，進一步研究了這種顆粒的特性。

新磁盤結構由雙層磁性核心和壓電外殼構成。磁性核心在磁化時發(fā)生形變，進而產生壓力作用于壓電外殼，產生電信號。這種復合結構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，磁電效應較弱，而這些扁平的磁盤能將磁致伸縮效應放大1000倍。

研究團隊首先在培養(yǎng)的神經(jīng)元中測試了納米磁盤，利用短暫的磁場脈沖實現(xiàn)了對神經(jīng)元的精準激活，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腦區(qū)進行遠程刺激。金藝智表示，這種刺激對神經(jīng)元活動及小鼠行為產生了顯著影響。

研究團隊還發(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的腹側被蓋區(qū)。此外，他們還刺激了與運動控制相關的丘腦底核。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，通過在小鼠一側注射磁盤，外加磁場可以引導小鼠旋轉，展示了對運動控制的調節(jié)效果。

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

盡管團隊在增強磁致伸縮效應方面取得了顯著進展，阿尼基耶娃指出，如何將這種磁效應有效地轉化為電信號仍需進一步改進。盡管磁響應提升了1000倍，但電信號轉化的提升僅為4倍。

金藝智表示，“這種1000倍的增強效應還沒完全轉化為電信號增強?！蔽磥淼难芯繉⒅铝τ谶M一步優(yōu)化，將這種增幅完全轉化到磁電耦合效果上。

諾亞·肯特補充道，磁盤形狀對磁致伸縮的意外影響，正是團隊未曾預料到的。

阿尼基耶娃表示：“雖然這款納米磁盤創(chuàng)下紀錄，但仍有優(yōu)化空間?！毖芯繄F隊已有進一步改進的設想。

盡管這些納米磁盤已經(jīng)可以應用于動物實驗，但將其用于人類的臨床測試仍需多個步驟，包括大規(guī)模的安全性驗證。阿尼基耶娃指出，這種驗證通常并非學術研究的強項，當確認這些顆粒在特定臨床情境中確實有效后，或許可以通過相關渠道推動更嚴格的大動物安全測試。

這項研究由麻省理工學院材料科學與工程系、電氣工程與計算機科學系、化學系及腦與認知科學系的研究人員共同完成，其他團隊成員還包括電子研究實驗室、麥戈文腦研究所、綜合癌癥研究中心的科學家及德國埃爾朗根-紐倫堡大學的研究人員。（綜合整理報道）（策劃/克珂）