麻省理工学院开发脑部精准刺激无创“纳米磁盘”

美国麻省理工学院研究人员近日开发出一种全新的磁性纳米磁盘，为脑部刺激疗法带来了低侵入性的选择。与传统植入手术不同，这种技术无需植入电极或基因改造，或将推动非侵入性脑刺激技术的应用。

这种磁盘仅有约250纳米宽（约等于人类头发的1/500），可以直接注射到大脑的指定位置。研究人员设想，通过在体外施加磁场，磁盘可以随时被激活。研究团队认为，这一技术在不久的将来可在生物医学研究中得到应用，甚至在经过严谨的测试后用于临床。

这一研究成果发表在《自然纳米技术》期刊上，由麻省理工学院材料科学与工程系和脑与认知科学系教授波利娜·阿尼基耶娃、研究生金艺智（音）及其他来自麻省理工学院和德国的17位研究人员联合完成。

深部脑刺激（DBS）是一种常用的临床技术，通过在目标脑区植入电极来治疗帕金森症和强迫症等疾病。然而，这一技术涉及复杂的手术过程，且可能伴有并发症，限制了其应用范围。相比之下，这些新型纳米磁盘可能提供一种更温和的替代选择，达到类似的治疗效果。

近年来，科研人员提出了多种无植入脑部刺激方案，但在空间分辨率和深部定位方面依然存在局限。阿尼基耶娃的团队和其他研究人员利用磁性纳米材料将磁信号转化为脑部刺激，但此前技术依赖于基因改造，因而无法用于人类治疗。

研究生金艺智提出，神经细胞对电信号有天然的敏感性，如果能够开发出一种将磁场转化为电信号的磁电材料，那么远程脑部刺激将变得可行。然而，开发这种纳米级的磁电材料充满挑战。

金艺智成功合成了新型磁电纳米磁盘，并与拥有物理学背景的博士后诺亚·肯特合作，进一步研究了这种颗粒的特性。

新磁盘结构由双层磁性核心和压电外壳构成。磁性核心在磁化时发生形变，进而产生压力作用于压电外壳，产生电信号。这种复合结构让磁盘在外加磁场作用下能够向神经元发出电脉冲。

磁盘的形状也至关重要。金艺智指出，传统的磁性纳米颗粒多为球形，磁电效应较弱，而这些扁平的磁盘能将磁致伸缩效应放大1000倍。

研究团队首先在培养的神经元中测试了纳米磁盘，利用短暂的磁场脉冲实现了对神经元的精准激活，且无需基因改造。

接下来，研究人员将磁电纳米磁盘注入小鼠大脑的特定区域。只需开启弱磁场，磁盘就能释放微弱电流对目标脑区进行远程刺激。金艺智表示，这种刺激对神经元活动及小鼠行为产生了显著影响。

研究团队还发现，这些纳米磁盘可以刺激深部脑区——例如与奖赏感受有关的腹侧被盖区。此外，他们还刺激了与运动控制相关的丘脑底核。金艺智解释道：“这正是传统上用来植入电极治疗帕金森症的区域。”研究显示，通过在小鼠一侧注射磁盘，外加磁场可以引导小鼠旋转，展示了对运动控制的调节效果。

相比传统电极，这种磁盘不仅能在亚秒级实现精确的脑部刺激，还显著降低了异物反应，使深部脑刺激更为安全。

尽管团队在增强磁致伸缩效应方面取得了显著进展，阿尼基耶娃指出，如何将这种磁效应有效地转化为电信号仍需进一步改进。尽管磁响应提升了1000倍，但电信号转化的提升仅为4倍。

金艺智表示，“这种1000倍的增强效应还没完全转化为电信号增强。”未来的研究将致力于进一步优化，将这种增幅完全转化到磁电耦合效果上。

诺亚·肯特补充道，磁盘形状对磁致伸缩的意外影响，正是团队未曾预料到的。

阿尼基耶娃表示：“虽然这款纳米磁盘创下纪录，但仍有优化空间。”研究团队已有进一步改进的设想。

尽管这些纳米磁盘已经可以应用于动物实验，但将其用于人类的临床测试仍需多个步骤，包括大规模的安全性验证。阿尼基耶娃指出，这种验证通常并非学术研究的强项，当确认这些颗粒在特定临床情境中确实有效后，或许可以通过相关渠道推动更严格的大动物安全测试。

这项研究由麻省理工学院材料科学与工程系、电气工程与计算机科学系、化学系及脑与认知科学系的研究人员共同完成，其他团队成员还包括电子研究实验室、麦戈文脑研究所、综合癌症研究中心的科学家及德国埃尔朗根-纽伦堡大学的研究人员。（综合整理报道）（策划/克珂）