Los nanodiscos magnéticos proporcionan estimulación cerebral sin implantes

resumen: Los científicos han desarrollado nanodiscos magnéticos que permiten la estimulación cerebral dirigida sin necesidad de implantes invasivos ni modificaciones genéticas. Los pequeños discos, activados por un campo magnético externo, envían impulsos eléctricos a las células nerviosas, lo que muestra potencial para tratar afecciones neurológicas.

Las pruebas iniciales en ratones mostraron que estos nanodiscos estimulaban eficazmente áreas del cerebro asociadas con la recompensa y el control motor, con menos respuestas a objetos extraños que los implantes tradicionales. El estudio representa un paso hacia tratamientos nuevos y menos invasivos para los trastornos cerebrales.

Las mejoras futuras tienen como objetivo mejorar la salida de impulsos eléctricos de los discos para una mayor eficacia. Con más investigaciones, estos nanodiscos podrían convertirse en herramientas valiosas en investigaciones y tratamientos neurológicos.

Hechos clave:

• Los nanodiscos proporcionan estimulación eléctrica cuando se activan mediante un imán externo.
• Las pruebas realizadas en ratones mostraron una estimulación eficaz de áreas del cerebro relacionadas con la recompensa y las funciones motoras.
• Las investigaciones futuras se centrarán en amplificar la producción eléctrica de los nanodiscos para uso clínico.

fuente: Instituto de Tecnología de Massachusetts

Los nuevos nanodiscos magnéticos podrían proporcionar una forma mucho menos invasiva de estimular partes del cerebro, allanando el camino para tratamientos de estimulación sin implantes ni modificación genética, informan investigadores del MIT.

Los científicos imaginan que los diminutos discos, de unos 250 nanómetros de ancho (aproximadamente 1/500 del ancho de un cabello humano), se inyectarán directamente en el lugar deseado del cerebro. A partir de ahí, pueden activarse en cualquier momento simplemente aplicando un campo magnético fuera del cuerpo.

Las nuevas partículas podrían encontrar rápidamente aplicaciones en la investigación biomédica y, eventualmente, después de pruebas suficientes, podrían aplicarse a usos clínicos.

El desarrollo de estas nanopartículas se describe en la revista Nanotecnología de la naturalezaen un artículo de Polina Anikieva, profesora de los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales y Ciencias Cognitivas y del Cerebro del MIT, la estudiante de posgrado Yi Ji Kim y otras 17 personas en el MIT y en Alemania.

La estimulación cerebral profunda (DBS) es un procedimiento clínico común que utiliza electrodos implantados en áreas específicas del cerebro para tratar síntomas de afecciones neuropsiquiátricas como la enfermedad de Parkinson y el trastorno obsesivo-compulsivo.

A pesar de su eficacia, la dificultad quirúrgica y las complicaciones clínicas asociadas con la estimulación cerebral profunda limitan el número de casos en los que se justifica un procedimiento tan invasivo. Los nuevos nanodiscos podrían proporcionar una forma más sencilla de lograr los mismos resultados.

Durante la última década, se han desarrollado otros métodos sin implantes para producir estimulación cerebral. Sin embargo, estos métodos a menudo estaban limitados por su resolución espacial o su capacidad para apuntar a regiones profundas.

Durante la última década, el grupo de Bioelectrónica de Anikeeva, así como otros en el campo, han utilizado materiales magnéticos a nanoescala para convertir señales magnéticas remotas en estimulación cerebral. Sin embargo, estos métodos magnéticos se basan en modificaciones genéticas y no pueden utilizarse en humanos.

Dado que todas las neuronas son sensibles a las señales eléctricas, Kim, una estudiante de posgrado del grupo de Anikieva, planteó la hipótesis de que un nanomaterial electromagnético que pudiera convertir eficientemente la magnetización en potenciales eléctricos podría proporcionar un camino hacia la estimulación cerebral magnética remota. Sin embargo, crear un material electromagnético a nanoescala ha sido un desafío enorme.

Kim ensambló nuevos nanodiscos electromagnéticos y colaboró ​​con Noah Kent, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Anikeeva con experiencia en física y segundo autor del estudio, para comprender las propiedades de estas partículas.

La estructura de los nuevos nanodiscos consta de un núcleo magnético de dos capas y una capa piezoeléctrica. Un núcleo magnético es magnetotrópico, lo que significa que cambia de forma cuando se magnetiza.

Esta deformación luego induce tensión en la capa piezoeléctrica que produce una polarización eléctrica variable. Al combinar los dos efectos, estas partículas compuestas pueden enviar impulsos eléctricos a las neuronas cuando se exponen a campos magnéticos.

Una de las claves de la eficacia de las pastillas es la forma de la misma. Intentos anteriores con nanopartículas magnéticas utilizaron partículas esféricas, pero el efecto electromagnético fue muy débil, dice Kim. Kent añade que este contraste aumenta la contracción magnética más de 1.000 veces.

Primero, el equipo añadió sus nanodiscos a las neuronas cultivadas, lo que luego permitió que estas células se activaran según demanda utilizando pulsos cortos de campo magnético. Esta estimulación no requirió ninguna modificación genética.

Luego inyectaron pequeñas gotas de la solución de nanodiscos electromagnéticos en áreas específicas del cerebro de los ratones. Por lo tanto, simplemente encender un electroimán relativamente débil cerca hace que las partículas liberen una pequeña descarga de electricidad en esa área del cerebro.

La estimulación se puede activar y desactivar de forma remota alternando el electroimán. Esta estimulación eléctrica «tuvo un efecto sobre la actividad y el comportamiento neuronal», dice Kim.

El equipo descubrió que los nanodiscos electromagnéticos podrían estimular un área profunda del cerebro, el área tegmental ventral, asociada con sentimientos de recompensa.

El equipo también estimuló otra área del cerebro, el núcleo subtalámico, que está asociado con el control motor.

«Esta es el área donde normalmente se implantan electrodos para controlar la enfermedad de Parkinson», explica Kim.

Los investigadores pudieron demostrar con éxito la modificación del control motor a través de partículas. En concreto, al inyectar nanodiscos en un solo hemisferio, los investigadores pudieron inducir la rotación en ratones sanos mediante la aplicación de un campo magnético.

Los nanodiscos pueden desencadenar una actividad neuronal comparable a la de los electrodos implantados tradicionales que proporcionan una estimulación eléctrica suave. Los investigadores lograron una resolución temporal de la estimulación neuronal en menos de un segundo utilizando su método, pero observaron respuestas de cuerpo extraño significativamente reducidas en comparación con los electrodos, lo que puede permitir una estimulación cerebral profunda más segura.

La composición química multicapa, la forma y el tamaño físico de los nuevos nanodiscos multicapa es lo que hizo posible la microcatálisis.

Si bien los investigadores han logrado aumentar el efecto de retracción magnética, la segunda parte del proceso, convertir el efecto magnético en una salida eléctrica, aún necesita más trabajo, dice Anikieva.

Mientras que la respuesta magnética fue mil veces mayor, la conversión en pulso eléctrico fue sólo cuatro veces mayor que con las partículas esféricas convencionales.

«Esta enorme mejora mil veces aún no se ha traducido completamente en una mejora electromagnética», dice Kim.

«Aquí es donde se centrará gran parte del trabajo futuro, en garantizar que una amplificación mil veces mayor en la constricción magnética se pueda convertir en una amplificación mil veces mayor en el acoplamiento electromagnético».

Lo que encontró el equipo sobre la forma en que las formas de las partículas afectan su contracción magnética fue completamente inesperado.

«Es algo nuevo que surgió cuando intentamos descubrir por qué estas partículas funcionan tan bien», dice Kent.

“Sí, es una partícula récord, pero no tanto como debería”, añade Anikieva. Este sigue siendo un tema para seguir trabajando, pero el equipo tiene ideas sobre cómo seguir avanzando.

Si bien en principio ya es posible aplicar estos nanodiscos a la investigación básica utilizando modelos animales, trasladarlos al uso clínico en humanos requerirá varios pasos adicionales, incluidos estudios de seguridad a gran escala, «algo que los investigadores académicos no necesariamente tienen la experiencia para hacer». .” “Buena situación”. “Tengo que hacerlo”, dice Anikieva.

«Cuando descubrimos que estas partículas son realmente útiles en un contexto clínico particular, imaginamos que habrá un camino para que se sometan a estudios más rigurosos de seguridad en animales a gran escala».

El equipo incluyó investigadores afiliados a los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ingeniería Eléctrica e Informática, Química y Ciencias Cognitivas y del Cerebro del MIT; Laboratorio de Investigación en Electrónica. Instituto de Investigación del Cerebro McGovern; el Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer; De la Universidad Friedrich Alexander en Erlangen, Alemania.

Financiación: Este trabajo fue apoyado en parte por los Institutos Nacionales de Salud, el Centro Nacional de Salud Complementaria e Integrativa, el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro y el Instituto K. Lisa Yang y Hawke E. Centro Tan de Terapéutica Molecular en Neurociencia.

Acerca de las noticias de investigación en neurotecnología.

autor: David L. Chandler
fuente: Instituto de Tecnología de Massachusetts
comunicación: David L. Chandler – Instituto de Tecnología de Massachusetts
imagen: Imagen acreditada a Neuroscience News.

Búsqueda original: Acceso abierto.
«Los nanodiscos electromagnéticos permiten la neuromodulación inalámbrica sin genes”Escrito por Polina Anikieva et al. Nanotecnología de la naturaleza

un resumen

Los nanodiscos electromagnéticos permiten la neuromodulación inalámbrica sin genes

La estimulación cerebral profunda mediante electrodos implantados ha transformado los estudios de neurociencia y el tratamiento de afecciones neuropsiquiátricas. Descubrir alternativas menos invasivas a la estimulación cerebral profunda podría ampliar sus aplicaciones clínicas y de investigación. La conversión de campos magnéticos mediados por nanomateriales en potenciales eléctricos se ha explorado como un medio de neuromodulación remota.

Aquí sintetizamos nanodiscos electromagnéticos (MEND) utilizando Fe de doble capa.₃Ey₄-café₂Ey₄-Patio₃ Estructura (diámetro 250 nm y espesor 50 nm) con eficiente acoplamiento electromagnético.

Encontramos fuertes respuestas a la estimulación del campo magnético en neuronas decoradas con MEND a una densidad de 1 μg mm^-2 Aunque los potenciales de una sola partícula están por debajo del umbral de excitación neuronal. Proponemos un modelo de despolarización recurrente por debajo del umbral que, junto con la teoría del cable, respalda nuestras observaciones in vitro e informa la estimulación electromagnética in vivo.

Se inyecta en el área tegmental ventral o núcleo subtalámico de ratones genéticamente normales en concentraciones de 1 mg.^-1Los MEND permiten el control remoto de conductas motoras o de recompensa, respectivamente.

Estos hallazgos allanaron el camino para mejorar la mecánica de la neuromodulación electromagnética hacia aplicaciones en la investigación en neurociencia.