ננו-דיסקים מגנטיים חדשים יכולים לספק דרך הרבה פחות פולשנית לעורר חלקים במוח, ולסלול את הדרך לטיפולי גירוי ללא שתלים או שינוי גנטי, כך מדווחים חוקרי MIT.
המדענים חוזים שהדיסקים הזעירים, שרוחבו כ-250 ננומטר (בערך 1/500 מרוחב שערה אנושית), יוזרקו ישירות למיקום הרצוי במוח. משם, ניתן היה להפעיל אותם בכל עת פשוט על ידי הפעלת שדה מגנטי מחוץ לגוף. החלקיקים החדשים יכולים למצוא במהירות יישומים במחקר ביו-רפואי, ובסופו של דבר, לאחר מספיק בדיקות, עשויים להיות מיושמים לשימושים קליניים.
התפתחות הננו-חלקיקים הללו מתוארת בכתב העת טבע ננוטכנולוגיהבמאמרה של Polina Anikeeva, פרופסור במחלקות של MIT למדעי החומרים והנדסה ומדעי המוח והקוגניציה, סטודנטית לתואר שני Ye Ji Kim, ו-17 נוספים ב-MIT ובגרמניה.
גירוי מוחי עמוק (DBS) הוא הליך קליני נפוץ המשתמש באלקטרודות המושתלות באזורי מוח היעד כדי לטפל בתסמינים של מצבים נוירולוגיים ופסיכיאטרים כגון מחלת פרקינסון והפרעה טורדנית-קומפולסיבית. למרות יעילותו, הקושי הניתוחי והסיבוכים הקליניים הקשורים ל-DBS מגבילים את מספר המקרים בהם יש צורך בהליך פולשני שכזה. הננו-דיסקים החדשים יכולים לספק דרך הרבה יותר מיטיבה להשיג את אותן תוצאות.
במהלך העשור האחרון פותחו שיטות אחרות ללא שתלים להפקת גירוי מוחי. עם זאת, גישות אלה הוגבלו לעתים קרובות על ידי הרזולוציה המרחבית או היכולת שלהן למקד אזורים עמוקים. בעשור האחרון, קבוצת הביואלקטרוניקה של Anikeeva כמו גם אחרים בתחום השתמשו בננו-חומרים מגנטיים כדי להעביר אותות מגנטיים מרוחקים לגירוי מוחי. עם זאת, שיטות מגנטיות אלו הסתמכו על שינויים גנטיים ואינן ניתנות לשימוש בבני אדם.
מכיוון שכל תאי העצב רגישים לאותות חשמליים, קים, סטודנטית לתואר שני בקבוצה של אנייבה, שיערה שננו-חומר מגנו-אלקטרי שיכול להמיר ביעילות מגנטיזציה לפוטנציאל חשמלי יכול להציע נתיב לגירוי מוחי מגנטי מרחוק. יצירת חומר מגנו-אלקטרי בקנה מידה ננו-אלקטרי היה, עם זאת, אתגר אדיר.
קים סינתזה ננו-דיסקים מגנו-אלקטריים חדשים ושיתפה פעולה עם נוח קנט, פוסט-דוקטורט במעבדה של Anikeeva עם רקע בפיזיקה שהוא מחבר שני של המחקר, כדי להבין את התכונות של חלקיקים אלה.
המבנה של הננו-דיסקים החדשים מורכב מליבה מגנטית דו-שכבתית ומקליפה פיזואלקטרית. הליבה המגנטית היא מגנטוסטריקטיבית, כלומר היא משנה צורה בעת מגנט. עיוות זה גורם לאחר מכן למתח במעטפת הפיזואלקטרית אשר מייצר קיטוב חשמלי משתנה. באמצעות השילוב של שתי ההשפעות, חלקיקים מרוכבים אלה יכולים לספק פולסים חשמליים לנוירונים כאשר הם נחשפים לשדות מגנטיים.
מפתח אחד ליעילות הדיסקים הוא צורת הדיסק שלהם. ניסיונות קודמים להשתמש בננו-חלקיקים מגנטיים השתמשו בחלקיקים כדוריים, אבל האפקט המגנו-אלקטרי היה חלש מאוד, אומר קים. האניזוטרופיה הזו משפרת את המגנטוסטרציה ביותר פי 1000, מוסיף קנט.
הצוות הוסיף תחילה את הננו-דיסקים שלהם לנוירונים מתורבתים, מה שאפשר אז להפעיל את התאים הללו לפי דרישה עם פולסים קצרים של שדה מגנטי. גירוי זה לא הצריך כל שינוי גנטי.
לאחר מכן הם הזריקו טיפות קטנות של תמיסת ננו-דיסקים מגנו-אלקטריים לאזורים ספציפיים במוחם של עכברים. ואז, פשוט הפעלת אלקטרומגנט חלש יחסית בקרבת מקום גרמה לחלקיקים לשחרר טלטלה זעירה של חשמל באזור המוח הזה. ניתן היה להפעיל ולכבות את הגירוי מרחוק על ידי מיתוג האלקטרומגנט. לגירוי החשמלי הזה "היתה השפעה על פעילות הנוירונים ועל ההתנהגות", אומר קים.
הצוות מצא שהננו-אלקטריים המגנו-אלקטריים יכולים לעורר אזור מוחי עמוק, אזור הטגמנטלי הגחוני, הקשור לתחושות של תגמול.
הצוות גם גירוי אזור מוחי נוסף, הגרעין התת-תלמי, הקשור לשליטה מוטורית. "זהו האזור שבו בדרך כלל משתילים אלקטרודות כדי לנהל את מחלת פרקינסון", מסביר קים. החוקרים הצליחו להדגים בהצלחה את אפנון השליטה המוטורית דרך החלקיקים. באופן ספציפי, על ידי הזרקת ננו-דיסקים רק בחצי כדור אחד, החוקרים יכלו לגרום לסיבובים בעכברים בריאים על ידי הפעלת שדה מגנטי.
הננו-דיסקים יכולים להפעיל את הפעילות הנוירונית הדומה לאלקטרודות מושתלות קונבנציונליות המספקות גירוי חשמלי קל. המחברים השיגו דיוק זמני של גירוי עצבי עם השיטה שלהם, אך צפו בתגובות מופחתות משמעותית של גוף זר בהשוואה לאלקטרודות, מה שעשוי לאפשר גירוי מוחי עמוק אפילו יותר בטוח.
ההרכב הכימי הרב-שכבתי והצורה והגודל הפיזיים של הננו-דיסקים הרב-שכבתיים החדשים הם שאפשרו גירוי מדויק.
בעוד שהחוקרים הגדילו בהצלחה את האפקט המגנטוסטריקטי, החלק השני של התהליך, המרת האפקט המגנטי לפלט חשמלי, עדיין דורש עבודה נוספת, אומר אנייבה. בעוד שהתגובה המגנטית הייתה גדולה פי אלף, ההמרה לדחף חשמלי הייתה גדולה רק פי ארבעה מאשר בחלקיקים כדוריים רגילים.
"השיפור האדיר הזה של פי אלף לא תורגם לחלוטין לשיפור המגנו-אלקטרי", אומר קים. "שם תתמקד הרבה מהעבודה העתידית, לוודא שניתן להמיר את ההגברה של פי אלף במגנטו להגברה של פי אלף בצימוד המגנו-אלקטרי".
מה שהצוות מצא, מבחינת האופן שבו צורות החלקיקים משפיעות על ההיצרות שלהם, היה די בלתי צפוי. "זה סוג של דבר חדש שרק הופיע כשניסינו להבין למה החלקיקים האלה עבדו כל כך טוב", אומר קנט.
כן, זה חלקיק שובר שיא, אבל הוא לא שובר שיא כמו שהוא יכול להיות".
פולינה אנייבה, פרופסור, המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס
זה נשאר נושא לעבודה נוספת, אבל לצוות יש רעיונות כיצד להתקדם.
אמנם, עקרונית כבר ניתן ליישם את הננו-דיסקים הללו על מחקר בסיסי באמצעות מודלים של בעלי חיים, אבל כדי לתרגם אותם לשימוש קליני בבני אדם ידרוש עוד מספר שלבים, כולל מחקרי בטיחות בקנה מידה גדול, "שזה משהו שחוקרים אקדמיים לא בהכרח נמצאים במיקום הכי טוב לעשות", אומרת אנייבה. "כשאנחנו מגלים שהחלקיקים האלה באמת שימושיים בהקשר קליני מסוים, אז אנחנו מתארים לעצמנו שיהיה מסלול עבורם לעבור מחקרי בטיחות גדולים יותר בבעלי חיים."
הצוות כלל חוקרים המזוהים עם המחלקות של MIT למדע והנדסת חומרים, הנדסת חשמל ומדעי המחשב, כימיה ומדעי המוח והקוגניציה; מעבדת המחקר לאלקטרוניקה; מכון מקגוורן לחקר המוח; ומכון קוך לחקר סרטן אינטגרטיבי; ומאוניברסיטת פרידריך-אלכסנדר בארלנגן, גרמניה. העבודה נתמכה, בין השאר, על ידי המכונים הלאומיים לבריאות, המרכז הלאומי לבריאות משלימה ואינטגרטיבית, המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ מוחי, מכון מקגוורן לחקר המוח, וה-K. Lisa Yang and Hock E. מרכז טאן לטיפול מולקולרי במדעי המוח