Förutom att reagera på elektriska och kemiska stimuli, många av kroppens nervceller kan också reagera på mekaniska effekter, såsom tryck eller vibrationer. Men dessa svar har varit svårare för forskare att studera, eftersom det inte har funnits någon lätt kontrollerbar metod för att inducera sådan mekanisk stimulering av cellerna. Nu, forskare vid MIT och på andra håll har hittat en ny metod för att göra just det.

Fyndet kan erbjuda ett steg mot nya typer av terapeutiska behandlingar, liknar elektriskt baserad neurostimulering som har använts för att behandla Parkinsons sjukdom och andra tillstånd. Till skillnad från dessa system, som kräver en extern trådanslutning, det nya systemet skulle vara helt kontaktfritt efter en första injektion av partiklar, och kan återaktiveras efter behag genom ett externt applicerat magnetfält.

Fyndet redovisas i tidskriften ACS Nano , i en artikel av tidigare MIT postdoc Danijela Gregurec, Alexander Senko Ph.D. '19, Docent Polina Anikeeva, och nio andra vid MIT, på Boston's Brigham and Women's Hospital, och i Spanien.

Den nya metoden öppnar en ny väg för stimulering av nervceller i kroppen, som hittills nästan helt har förlitat sig på båda kemiska vägar, genom användning av läkemedel, eller på elektriska vägar, som kräver invasiva ledningar för att leverera spänning till kroppen. Denna mekaniska stimulans, som aktiverar helt olika signalvägar inom neuronerna själva, kan ge ett betydande studieområde, säger forskarna.

"En intressant sak med nervsystemet är att neuroner faktiskt kan upptäcka krafter, Senko säger. Det är så din känsel fungerar, och även din känsla av hörsel och balans. "Teamet riktade sig mot en viss grupp neuroner inom en struktur som kallas dorsal root ganglion, som bildar ett gränssnitt mellan det centrala och perifera nervsystemet, eftersom dessa celler är särskilt känsliga för mekaniska krafter.

Tillämpningarna av tekniken kan likna de som utvecklas inom området för bioelektroniska läkemedel, Senko säger, men de kräver elektroder som vanligtvis är mycket större och styvare än de neuroner som stimuleras, begränsar deras precision och ibland skadar celler.

Nyckeln till den nya processen var att utveckla små skivor med en ovanlig magnetisk egenskap, vilket kan få dem att börja fladdra när de utsätts för en viss typ av varierande magnetfält. Även om själva partiklarna bara är 100 nanometer i diameter, ungefär en hundradel av storleken på nervcellerna de försöker stimulera, de kan tillverkas och injiceras i stora mängder, så att deras effekt tillsammans är tillräckligt stark för att aktivera cellens tryckreceptorer. "Vi gjorde nanopartiklar som faktiskt producerar krafter som celler kan upptäcka och svara på, säger Senko.

Anikeeva säger att konventionella magnetiska nanopartiklar skulle ha krävt opraktiskt stora magnetfält för att aktiveras, så att hitta material som kunde ge tillräcklig kraft med bara måttlig magnetisk aktivering var "ett mycket svårt problem." Lösningen visade sig vara en ny typ av magnetiska nanodiskar.

Dessa skivor, som har hundratals nanometer i diameter, innehåller en virvelkonfiguration av atomsnurr när inga externa magnetfält appliceras. Detta gör att partiklarna beter sig som om de inte var magnetiska alls, vilket gör dem exceptionellt stabila i lösningar. När dessa skivor utsätts för ett mycket svagt varierande magnetfält på några millitesla, med en låg frekvens på bara flera hertz, de växlar till ett tillstånd där de interna snurren är alla inriktade i skivplanet. Detta gör att dessa nanoskivor kan fungera som spakar – vickar upp och ner med fältets riktning.

Anikeeva, som är docent vid institutionerna för materialvetenskap och teknik samt hjärn- och kognitionsvetenskap, säger att detta arbete kombinerar flera discipliner, inklusive ny kemi som ledde till utvecklingen av dessa nanoskivor, tillsammans med elektromagnetiska effekter och arbete med neurostimuleringens biologi.

Teamet övervägde först att använda partiklar av en magnetisk metallegering som kunde ge de nödvändiga krafterna, men dessa var inte biokompatibla material, och de var oöverkomligt dyra. Forskarna hittade ett sätt att använda partiklar gjorda av hematit, en godartad järnoxid, som kan bilda de erforderliga skivformerna. Hematiten omvandlades sedan till magnetit, som har de magnetiska egenskaper de behövde och som är känd för att vara godartade i kroppen. Denna kemiska omvandling från hematit till magnetit gör dramatiskt ett blodrött rör av partiklar till jet svart.

"Vi var tvungna att bekräfta att dessa partiklar verkligen stödde detta riktigt ovanliga spinntillstånd, denna virvel, " säger Gregurec. De provade först de nyutvecklade nanopartiklarna och bevisade, använder holografiska bildsystem som tillhandahålls av kollegor i Spanien, att partiklarna verkligen reagerade som förväntat, ger de nödvändiga krafterna för att framkalla svar från neuroner. Resultaten kom i slutet av december och "alla trodde att det var en julklapp, "Anikeeva minns, "när vi fick våra första hologram, och vi kunde verkligen se att det vi teoretiskt har förutspått och kemiskt misstänkt faktiskt var fysiskt sant."

Arbetet är fortfarande i sin linda, hon säger. "Detta är en allra första demonstration av att det är möjligt att använda dessa partiklar för att omvandla stora krafter till membran av neuroner för att stimulera dem."

Hon tillägger "det öppnar ett helt fält av möjligheter. ... Detta betyder att var som helst i nervsystemet där celler är känsliga för mekaniska krafter, och det är i princip vilket organ som helst, vi kan nu modulera funktionen hos det organet." Det för vetenskapen ett steg närmare, hon säger, till målet med bioelektronisk medicin som kan ge stimulans på nivån av enskilda organ eller delar av kroppen, utan behov av droger eller elektroder.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.