Исследование, проведенное доцентом кафедры материаловедения и инженерии Полиной Аникеевой, аспирантом Ричи Ченом и тремя другими, было опубликовано в журнале Science.Предыдущие попытки стимулировать мозг с помощью импульсов электричества доказали свою эффективность в снижении или устранении тремора, связанного с болезнью Паркинсона, но лечение осталось последним средством, поскольку оно требует высокоинвазивных имплантированных проводов, которые подключаются к источнику питания за пределами мозга.«В будущем наша методика может предоставить средства без имплантатов для стимуляции мозга и картирования», — говорит Аникеева.
В своем исследовании команда ввела в мозг частицы магнитного оксида железа диаметром всего 22 нанометра. При воздействии внешнего переменного магнитного поля, которое может проникать глубоко внутрь биологических тканей, эти частицы быстро нагреваются.
Возникающее в результате локальное повышение температуры может затем привести к нервной активации за счет запуска термочувствительных рецепторов капсаицина — тех же белков, которые организм использует для определения как фактического тепла, так и «тепла» острой пищи. (Капсаицин — это химическое вещество, придающее острому перцу жгучий вкус.) Команда Аникеевой использовала доставку вирусных генов, чтобы вызвать чувствительность к теплу в отдельных нейронах мозга.Частицы, которые практически не взаимодействуют с биологическими тканями, кроме как при нагревании, имеют тенденцию оставаться там, где они размещены, что позволяет проводить длительное лечение без необходимости дополнительных инвазивных процедур.
«Наночастицы интегрируются в ткань и остаются в основном нетронутыми», — говорит Аникеева. «Затем эту область можно стимулировать по желанию, применяя переменное магнитное поле извне. Целью для нас было выяснить, можем ли мы доставлять стимулы в нервную систему беспроводным и неинвазивным способом».Новая работа доказала, что такой подход возможен, но предстоит еще много работы, чтобы превратить это доказательство концепции в практический метод исследования мозга или клинического лечения.Использование магнитных полей и введенных частиц было активной областью исследований рака; Считается, что этот подход может уничтожить раковые клетки, нагревая их. «Новый метод частично основан на этом исследовании», — говорит Аникеева. «Калибруя доставляемую тепловую дозу, мы можем возбуждать нейроны, не убивая их.
Магнитные наночастицы также десятилетиями использовались в качестве контрастных агентов при МРТ-сканировании, поэтому они считаются относительно безопасными для человеческого организма».Команда разработала способы получения частиц точно контролируемого размера и формы, чтобы максимально улучшить их взаимодействие с приложенным переменным магнитным полем.
Они также разработали устройства для доставки приложенного магнитного поля: существующие устройства для лечения рака, предназначенные для более интенсивного нагрева, были слишком большими и энергоэффективными для этого применения.Следующий шаг к тому, чтобы сделать эту технологию практической для клинического использования на людях, «лучше понять, как работает наш метод с помощью нейронных записей и поведенческих экспериментов, и оценить, есть ли какие-либо другие побочные эффекты для тканей в пораженной области», — говорит Аникеева.