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机械刺激神经元的方法

除了对电刺激和化学刺激作出反应之外,人体的许多神经细胞还可以对机械作用做出反应,例如压力或振动。但是,对于研究人员而言,这些反应更加困难,因为没有容易控制的方法来诱导细胞的这种机械刺激。现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员已经找到了一种新的方法。

这一发现可能为新型治疗方法迈出了一步,类似于已经用于治疗帕金森氏病和其他疾病的基于电的神经刺激。与那些需要外部电线连接的系统不同,新系统在最初注入粒子后将完全无接触,并且可以通过外部施加的磁场任意激活。

这一发现在ACS Nano杂志上有所报道,该论文由前MIT博士后Danijela Gregurec,Alexander Senko博士'19,副教授Polina Anikeeva以及麻省理工学院,波士顿布莱根妇女医院和西班牙的其他9位研究人员发表。

新方法为刺激体内神经细胞开辟了一条新途径,迄今为止,该途径几乎完全依赖于化学途径,通过使用药物或依赖于需要侵入性导线将电压传递到体内的电途径。 。研究人员说,这种机械刺激可以激活神经元自身内完全不同的信号传导途径,可以提供重要的研究领域。

森科说:“关于神经系统的一件有趣的事是神经元实际上可以检测到力。”“这就是您的触觉,以及听觉和平衡感的工作方式。”该小组针对称为背根神经节的结构中的特定神经元群,该神经元在中枢神经系统和周围神经系统之间形成界面,因为这些细胞对机械力特别敏感。

森科说,该技术的应用可能与生物电子医学领域中正在开发的应用类似,但是这些技术通常需要比被刺激的神经元更大,更坚硬的电极,从而限制了它们的精确度,有时甚至损坏了细胞。

新工艺的关键是开发具有异常磁性能的微小光盘,当受到某种变化的磁场作用时,这可能导致它们开始颤动。尽管粒子本身只有100纳米左右,大约是他们试图刺激的神经元大小的百分之一,但它们可以被制造和大量注入,因此它们的作用合在一起足以激活细胞的压力。受体。森科说:“我们制造的纳米粒子实际上会产生细胞可以检测和响应的力。”

Anikeeva说,传统的磁性纳米粒子需要不切实际的大磁场才能被激活,因此,找到能够在中等磁激活的情况下提供足够力的材料是“一个非常困难的问题”。该解决方案被证明是一种新型的磁性纳米光盘。

当没有施加外部磁场时,这些直径为数百纳米的圆盘包含原子自旋的涡旋结构。这使粒子表现得好像完全没有磁性,使它们在溶液中格外稳定。当这些磁盘受到几毫特斯拉的非常弱的变化磁场(只有几赫兹的低频)时,它们会转换为内部自旋在磁盘平面上全部对齐的状态。这使这些纳米光盘可以充当杠杆-随电场的方向上下摆动。

材料科学与工程系以及脑与认知科学系的副教授Anikeeva说,这项工作结合了多个学科,包括导致这些纳米圆盘发展的新化学,电磁效应以及神经刺激生物学的工作。 。

该团队首先考虑使用可以提供必要作用力的磁性金属合金颗粒,但是这些颗粒不是生物相容性材料,而且价格过高。研究人员找到了一种使用赤铁矿(一种良性氧化铁)制成的颗粒的方法,该颗粒可以形成所需的圆盘形状。然后将赤铁矿转化成磁铁矿,该磁铁矿具有所需的磁性,并且在人体中是良性的。这种从赤铁矿到磁铁矿的化学转变将一根血红色的颗粒管变成黑色。

格雷格雷克说:“我们必须确认这些粒子确实支持了这种非常不寻常的自旋态,即涡旋。”他们首先尝试了新开发的纳米颗粒,并使用西班牙同事提供的全息成像系统证明了这些颗粒确实按预期反应,提供了必要的力来引起神经元的反应。结果于12月下旬公布,Anikeeva回忆说:“每个人都认为这是圣诞节礼物,当我们得到第一张全息图时,我们可以真正看到我们从理论上预测并从化学上怀疑的东西实际上是真实的。”

她说,这项工作仍处于起步阶段。“这是第一个证明,可以使用这些粒子将大的力传导到神经元的膜上,以刺激它们。”

她补充说:“这开辟了一个广阔的领域。……这意味着在神经系统中细胞对机械力敏感的任何地方,实际上是任何器官,我们现在都可以调节该器官的功能。”她说,这使科学向生物电子医学的目标迈进了一步,该技术可以在不需要药物或电极的情况下在单个器官或身体各个部位提供刺激。

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