చిన్న అయస్కాంత డిస్క్‌లు ట్రాన్స్‌జెన్‌లు లేకుండా రిమోట్ మెదడు ఉద్దీపనను అందిస్తాయి

దాదాపు 250 నానోమీటర్ల (మానవ వెంట్రుకల వెడల్పు 1/500) ఉన్న చిన్న డిస్క్‌లు నేరుగా మెదడులోని కావలసిన ప్రదేశానికి ఇంజెక్ట్ చేయబడతాయని శాస్త్రవేత్తలు ఊహించారు. అక్కడ నుండి, శరీరం వెలుపల అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా వాటిని ఎప్పుడైనా సక్రియం చేయవచ్చు. కొత్త కణాలు బయోమెడికల్ పరిశోధనలో త్వరగా అప్లికేషన్‌లను కనుగొనగలవు మరియు చివరికి, తగినంత పరీక్ష తర్వాత, క్లినికల్ ఉపయోగాలకు వర్తించవచ్చు.

ఈ నానోపార్టికల్స్ అభివృద్ధి జర్నల్‌లో వివరించబడింది ప్రకృతి నానోటెక్నాలజీMIT యొక్క మెటీరియల్స్ సైన్స్ మరియు ఇంజినీరింగ్ మరియు బ్రెయిన్ మరియు కాగ్నిటివ్ సైన్సెస్ విభాగాలలో ప్రొఫెసర్ అయిన Polina Anikeeva ద్వారా ఒక పేపర్‌లో, గ్రాడ్యుయేట్ విద్యార్థి యే జీ కిమ్ మరియు MIT మరియు జర్మనీలో 17 మంది ఇతరులు.

డీప్ బ్రెయిన్ స్టిమ్యులేషన్ (DBS) అనేది పార్కిన్సన్స్ వ్యాధి మరియు అబ్సెసివ్-కంపల్సివ్ డిజార్డర్ వంటి నరాల మరియు మానసిక పరిస్థితుల లక్షణాలకు చికిత్స చేయడానికి లక్ష్య మెదడు ప్రాంతాల్లో అమర్చిన ఎలక్ట్రోడ్‌లను ఉపయోగించే ఒక సాధారణ వైద్య విధానం. దాని సమర్థత ఉన్నప్పటికీ, DBSతో సంబంధం ఉన్న శస్త్రచికిత్స కష్టం మరియు క్లినికల్ సమస్యలు అటువంటి ఇన్వాసివ్ ప్రక్రియకు హామీ ఇవ్వబడిన కేసుల సంఖ్యను పరిమితం చేస్తాయి. కొత్త నానోడిస్క్‌లు అదే ఫలితాలను సాధించడానికి మరింత నిరపాయమైన మార్గాన్ని అందించగలవు.

గత దశాబ్దంలో మెదడు ఉద్దీపనను ఉత్పత్తి చేసే ఇతర ఇంప్లాంట్-రహిత పద్ధతులు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. అయినప్పటికీ, ఈ విధానాలు తరచుగా వాటి ప్రాదేశిక స్పష్టత లేదా లోతైన ప్రాంతాలను లక్ష్యంగా చేసుకునే సామర్థ్యం ద్వారా పరిమితం చేయబడ్డాయి. గత దశాబ్దంలో, అనికీవా యొక్క బయోఎలెక్ట్రానిక్స్ సమూహం అలాగే ఫీల్డ్‌లోని ఇతరులు రిమోట్ మాగ్నెటిక్ సిగ్నల్‌లను మెదడు ఉద్దీపనగా మార్చడానికి మాగ్నెటిక్ నానోమెటీరియల్‌లను ఉపయోగించారు. అయినప్పటికీ, ఈ అయస్కాంత పద్ధతులు జన్యు మార్పులపై ఆధారపడి ఉంటాయి మరియు మానవులలో ఉపయోగించబడవు.

అన్ని నాడీ కణాలు విద్యుత్ సంకేతాలకు సున్నితంగా ఉంటాయి కాబట్టి, అనికీవా సమూహంలోని గ్రాడ్యుయేట్ విద్యార్థి కిమ్, మాగ్నెటైజేషన్‌ను ఎలక్ట్రికల్ పొటెన్షియల్‌గా మార్చగల మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ నానోమెటీరియల్ రిమోట్ అయస్కాంత మెదడు ఉద్దీపన వైపు ఒక మార్గాన్ని అందించగలదని ఊహించారు. నానోస్కేల్ మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ మెటీరియల్‌ని సృష్టించడం ఒక భయంకరమైన సవాలు.

కిమ్ నవల మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ నానోడిస్క్‌లను సంశ్లేషణ చేసింది మరియు ఈ కణాల లక్షణాలను అర్థం చేసుకోవడానికి అధ్యయనం యొక్క రెండవ రచయిత అయిన భౌతిక శాస్త్ర నేపథ్యంతో అనికీవా యొక్క ప్రయోగశాలలో పోస్ట్‌డాక్ అయిన నోహ్ కెంట్‌తో కలిసి పనిచేసింది.

కొత్త నానోడిస్క్‌ల నిర్మాణం రెండు-పొరల మాగ్నెటిక్ కోర్ మరియు పైజోఎలెక్ట్రిక్ షెల్‌ను కలిగి ఉంటుంది. మాగ్నెటిక్ కోర్ మాగ్నెటోస్ట్రిక్టివ్, అంటే అయస్కాంతీకరించినప్పుడు ఆకారాన్ని మారుస్తుంది. ఈ వైకల్యం పియజోఎలెక్ట్రిక్ షెల్‌లో ఒత్తిడిని ప్రేరేపిస్తుంది, ఇది వివిధ విద్యుత్ ధ్రువణాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. రెండు ప్రభావాల కలయిక ద్వారా, ఈ మిశ్రమ కణాలు అయస్కాంత క్షేత్రాలకు గురైనప్పుడు న్యూరాన్‌లకు విద్యుత్ పప్పులను అందించగలవు.

డిస్క్‌ల ప్రభావానికి ఒక కీ వాటి డిస్క్ ఆకారం. మాగ్నెటిక్ నానోపార్టికల్స్‌ను ఉపయోగించేందుకు గతంలో చేసిన ప్రయత్నాలు గోళాకార కణాలను ఉపయోగించాయి, అయితే మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం చాలా బలహీనంగా ఉందని కిమ్ చెప్పారు. ఈ అనిసోట్రోపి మాగ్నెటోస్ట్రిక్షన్‌ని 1000 రెట్లు పెంచుతుంది, కెంట్ జతచేస్తుంది.

బృందం మొదట వారి నానోడిస్క్‌లను కల్చర్డ్ న్యూరాన్‌లకు జోడించింది, ఇది అయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క చిన్న పప్పులతో డిమాండ్‌పై ఈ కణాలను సక్రియం చేయడానికి అనుమతించింది. ఈ ఉద్దీపనకు ఎటువంటి జన్యు మార్పు అవసరం లేదు.

వారు ఎలుకల మెదడులోని నిర్దిష్ట ప్రాంతాలలో మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ నానోడిస్క్ ద్రావణం యొక్క చిన్న బిందువులను ఇంజెక్ట్ చేశారు. అప్పుడు, సమీపంలోని సాపేక్షంగా బలహీనమైన విద్యుదయస్కాంతాన్ని ఆన్ చేయడం వలన ఆ మెదడు ప్రాంతంలో విద్యుత్తు యొక్క చిన్న జోల్ట్‌ను విడుదల చేయడానికి కణాలు ప్రేరేపించబడ్డాయి. విద్యుదయస్కాంతాన్ని మార్చడం ద్వారా స్టిమ్యులేషన్‌ని రిమోట్‌గా ఆన్ మరియు ఆఫ్ చేయవచ్చు. ఆ విద్యుత్ ప్రేరణ “న్యూరాన్ కార్యకలాపాలపై మరియు ప్రవర్తనపై ప్రభావం చూపింది” అని కిమ్ చెప్పారు.

మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ నానోడిస్క్‌లు లోతైన మెదడు ప్రాంతాన్ని, వెంట్రల్ టెగ్మెంటల్ ఏరియాను ప్రేరేపించగలవని బృందం కనుగొంది, అది రివార్డ్ భావాలతో ముడిపడి ఉంది.

ఈ బృందం మోటారు నియంత్రణతో అనుబంధించబడిన సబ్‌తాలమిక్ న్యూక్లియస్ అనే మరొక మెదడు ప్రాంతాన్ని కూడా ప్రేరేపించింది. “పార్కిన్సన్స్ వ్యాధిని నిర్వహించడానికి ఎలక్ట్రోడ్లు సాధారణంగా అమర్చబడే ప్రాంతం ఇది” అని కిమ్ వివరించాడు. కణాల ద్వారా మోటార్ నియంత్రణ యొక్క మాడ్యులేషన్‌ను పరిశోధకులు విజయవంతంగా ప్రదర్శించగలిగారు. ప్రత్యేకంగా, ఒక అర్ధగోళంలో మాత్రమే నానోడిస్క్‌లను ఇంజెక్ట్ చేయడం ద్వారా, పరిశోధకులు అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా ఆరోగ్యకరమైన ఎలుకలలో భ్రమణాలను ప్రేరేపించగలరు.

నానోడిస్క్‌లు తేలికపాటి విద్యుత్ ప్రేరణను అందించే సాంప్రదాయిక అమర్చిన ఎలక్ట్రోడ్‌లతో పోల్చదగిన న్యూరానల్ కార్యాచరణను ప్రేరేపించగలవు. రచయితలు వారి పద్ధతితో నాడీ ఉద్దీపన కోసం సబ్‌సెకండ్ టెంపోరల్ ఖచ్చితత్వాన్ని సాధించారు, అయితే ఎలక్ట్రోడ్‌లతో పోలిస్తే విదేశీ శరీర ప్రతిస్పందనలను గణనీయంగా తగ్గించడాన్ని గమనించారు, ఇది సురక్షితమైన లోతైన మెదడు ఉద్దీపనను కూడా అనుమతిస్తుంది.

కొత్త బహుళస్థాయి నానోడిస్క్‌ల యొక్క బహుళస్థాయి రసాయన కూర్పు మరియు భౌతిక ఆకృతి మరియు పరిమాణం ఖచ్చితమైన ప్రేరణను సాధ్యం చేసింది.

పరిశోధకులు మాగ్నెటోస్ట్రిక్టివ్ ప్రభావాన్ని విజయవంతంగా పెంచినప్పటికీ, ప్రక్రియ యొక్క రెండవ భాగం, అయస్కాంత ప్రభావాన్ని ఎలక్ట్రికల్ అవుట్‌పుట్‌గా మారుస్తుంది, ఇంకా ఎక్కువ పని అవసరం, అనికీవా చెప్పారు. అయస్కాంత ప్రతిస్పందన వెయ్యి రెట్లు ఎక్కువగా ఉండగా, సాంప్రదాయ గోళాకార కణాలతో పోలిస్తే విద్యుత్ ప్రేరణగా మార్చడం కేవలం నాలుగు రెట్లు ఎక్కువ.

“వెయ్యి రెట్లు ఈ భారీ మెరుగుదల పూర్తిగా మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ మెరుగుదలలోకి అనువదించబడలేదు” అని కిమ్ చెప్పారు. “మాగ్నెటోస్ట్రిక్షన్‌లోని వెయ్యి రెట్లు యాంప్లిఫికేషన్‌ను మాగ్నెటోఎలెక్ట్రిక్ కప్లింగ్‌లో వెయ్యి రెట్లు యాంప్లిఫికేషన్‌గా మార్చగలరని నిర్ధారించుకోవడంపై భవిష్యత్తులో చాలా పని దృష్టి కేంద్రీకరించబడుతుంది.”

కణాల ఆకారాలు వాటి మాగ్నెటోస్ట్రిక్షన్‌ను ప్రభావితం చేసే విధానం పరంగా బృందం కనుగొన్నది చాలా ఊహించనిది. “ఈ కణాలు ఎందుకు బాగా పనిచేస్తాయో మేము గుర్తించడానికి ప్రయత్నించినప్పుడు ఇది ఒక రకమైన కొత్త విషయం” అని కెంట్ చెప్పారు.

అనికీవా జతచేస్తుంది: “అవును, ఇది రికార్డ్-బ్రేకింగ్ పార్టికల్, కానీ అది రికార్డ్ బ్రేకింగ్ కాదు.” తదుపరి పని కోసం ఇది ఒక అంశంగా మిగిలిపోయింది, అయితే మరింత పురోగతిని ఎలా సాధించాలనే దాని గురించి బృందానికి ఆలోచనలు ఉన్నాయి.

ఈ నానోడిస్క్‌లు సూత్రప్రాయంగా జంతు నమూనాలను ఉపయోగించి ప్రాథమిక పరిశోధనలకు ఇప్పటికే వర్తింపజేయగలిగినప్పటికీ, వాటిని మానవులలో క్లినికల్ ఉపయోగం కోసం అనువదించడానికి పెద్ద-స్థాయి భద్రతా అధ్యయనాలతో సహా అనేక దశలు అవసరమవుతాయి, “ఇది విద్యా పరిశోధకులు చాలా మంచి స్థానంలో ఉండాల్సిన అవసరం లేదు. చేయాలని,” అనికీవా చెప్పారు. “ఈ కణాలు ఒక నిర్దిష్ట క్లినికల్ సందర్భంలో నిజంగా ఉపయోగకరంగా ఉన్నాయని మేము కనుగొన్నప్పుడు, అవి మరింత కఠినమైన పెద్ద జంతు భద్రతా అధ్యయనాలకు లోనవడానికి ఒక మార్గం ఉంటుందని మేము ఊహించాము.”

ఈ బృందంలో MIT యొక్క మెటీరియల్స్ సైన్స్ మరియు ఇంజనీరింగ్, ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీరింగ్ మరియు కంప్యూటర్ సైన్స్, కెమిస్ట్రీ మరియు బ్రెయిన్ అండ్ కాగ్నిటివ్ సైన్స్ విభాగాలతో అనుబంధంగా ఉన్న పరిశోధకులు ఉన్నారు; ఎలక్ట్రానిక్స్ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ; మెక్‌గవర్న్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఫర్ బ్రెయిన్ రీసెర్చ్; మరియు కోచ్ ఇన్స్టిట్యూట్ ఫర్ ఇంటిగ్రేటివ్ క్యాన్సర్ రీసెర్చ్; మరియు ఫ్రెడరిక్-అలెగ్జాండర్ యూనివర్శిటీ ఆఫ్ ఎర్లాంజెన్, జర్మనీ నుండి. ఈ పనికి కొంత భాగం నేషనల్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ హెల్త్, నేషనల్ సెంటర్ ఫర్ కాంప్లిమెంటరీ అండ్ ఇంటిగ్రేటివ్ హెల్త్, నేషనల్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఫర్ న్యూరోలాజికల్ డిజార్డర్స్ అండ్ స్ట్రోక్, మెక్‌గవర్న్ ఇన్స్టిట్యూట్ ఫర్ బ్రెయిన్ రీసెర్చ్ మరియు K. లిసా యాంగ్ మరియు హాక్ ఇ. న్యూరోసైన్స్‌లో మాలిక్యులర్ థెరప్యూటిక్స్ కోసం టాన్ సెంటర్.