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一种刺激神经元的机械方法

更新时间:2020-07-22 19:55点击:

除了对电子和化学刺激作出反应外,人体的许多神经细胞也能对机械效应作出反应,如压力或振动。但是这些反应对研究者来说研究起来比较困难,因为没有容易控制的方法来诱导这种细胞的机械刺激。现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员发现了一种新的方法。

这一发现可能为新型治疗方法的开发提供了一个新的方向,类似于电刺激已被用于治疗帕金森氏症和其他疾病。与那些需要外部导线连接的系统不同,新系统在首次注入粒子后是完全无接触的,并且可以通过外部施加的磁场随意重新激活。

这一发现发表在ACS Nano杂志上,由前麻省理工学院博士后Danijela Gregurec, Alexander Senko博士发表在一篇论文中。19年,副教授Polina Anikeeva,和麻省理工学院,波士顿布里格姆妇女医院和西班牙的其他9人。

这种新方法为刺激体内的神经细胞开辟了一条新的途径,迄今为止,这种途径几乎完全依靠化学途径(通过药物的使用)或电途径(需要有侵入性的导线将电压传递到体内)。研究人员说,这种机械刺激可以激活神经元内部完全不同的信号通路,可以提供一个重要的研究领域。

Senko说:“神经系统的一个有趣之处在于,神经元实际上可以探测到力量。”“这就是你的触觉、听觉和平衡感的工作原理。”研究小组的目标是一组特殊的神经元,这些神经元位于被称为背根神经节的结构中,它形成了中央神经系统和外周神经系统之间的接口,因为这些细胞对机械力特别敏感。

Senko说,这项技术的应用可能类似于生物电子药物领域正在开发的应用,但这些应用通常需要比被刺激的神经元更大、更硬的电极,这限制了它们的精确度,有时还会损害细胞。

这个新过程的关键是开发出具有特殊磁性的微小圆盘,当受到某种变化的磁场时,这些圆盘会开始抖动。尽管这些粒子本身只有100纳米左右,大约是它们试图刺激的神经元的百分之一大小,但它们可以被制造出来并注入大量的细胞,因此它们的整体效应足以激活细胞的压力感受器。Senko说:“我们制造的纳米颗粒能够产生细胞能够探测和响应的力。”

Anikeeva说,传统的磁性纳米颗粒需要巨大的磁场才能被激活,这是不现实的,所以找到一种材料,能够提供足够的力,只要适度的磁性激活是“一个非常困难的问题”。这一解决方案被证明是一种新型的磁性纳米盘。

这些直径数百纳米的圆盘,在没有外部磁场作用的情况下,包含原子自旋的旋涡结构。这使得粒子表现得好像它们完全没有磁性,使得它们在溶液中异常稳定。当这些圆盘受到一个非常微弱的变化磁场几毫特斯拉,只有几赫兹的低频,他们切换到一个状态,内部的自旋都在圆盘平面上对齐。这使得这些纳米盘就像杠杆一样,随着磁场的方向上下摆动。

Anikeeva是材料科学和工程系以及大脑和认知科学系的副教授,他说这项工作结合了几个学科,包括导致纳米盘发展的新化学、电磁效应和神经刺激生物学方面的工作。

研究小组首先考虑使用磁性金属合金颗粒来提供必要的力,但这些不是生物相容性材料,而且它们非常昂贵。研究人员发现了一种使用赤铁矿颗粒的方法,赤铁矿是一种良性氧化铁,可以形成所需的圆盘形状。然后赤铁矿被转化为磁铁矿,磁铁矿具有它们所需要的磁性,而且已知在体内是良性的。从赤铁矿到磁铁矿的化学转变,戏剧性地将血红色的粒子管变成了深黑色。

“我们必须确认这些粒子确实支持这种不寻常的自旋状态,这种涡旋,”Gregurec说。他们首先对新开发的纳米粒子进行了试验,并利用西班牙同事提供的全息成像系统证明,这些粒子确实如预期的那样做出了反应,提供了必要的力量来诱发神经元的反应。结果是在12月底公布的,“当我们得到第一张全息图时,每个人都认为这是一份圣诞礼物,”阿尼基娃回忆说,“我们可以真正看到,我们在理论上的预测和化学上的怀疑实际上是真实的。”

她说,这项工作仍处于起步阶段。“这是第一次证明,使用这些粒子将大的力传导到神经元膜以刺激它们是可能的。”

本文由《麻省理工学院新闻》(web.mit.edu/newsoffice/)转载,这是一个很受欢迎的网站,报道有关麻省理工学院研究、创新和教学的新闻。