DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01798-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39394431
تاريخ النشر: 2024-10-11
المؤلف: Ye Ji Kim وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نجح المؤلفون في تخليق جزيئات نانوية متعددة المغناطيسية غير المتجانسة (MENDs) ذات هيكل نواة مزدوج الغلاف يتكون من Fe$_3$O$_4$ و CoFe$_2$O$_4$ و BaTiO$_3$. أظهرت هذه الجزيئات النانوية تحسينًا كبيرًا في معامل المغناطيسية الكهربائية (ME) مقارنةً بالجزيئات النانوية المتجانسة المبلغ عنها سابقًا. عند تطبيقها على أغشية عصبية في المختبر بكثافات تتراوح بين 0.5-1 ميكروغرام لكل مليمتر مربع، سهلت الجزيئات النانوية MENDs الإثارة العصبية السريعة من خلال تطبيق مجالات مغناطيسية متذبذبة (OMF) ومجالات مغناطيسية متناوبة (AMF) بترددات تتراوح بين 100-150 هرتز.
اقترح المؤلفون نموذجًا لإزالة الاستقطاب تحت العتبة المتكررة لتوضيح الآليات الفيزيائية الحيوية لتعديل الأعصاب بواسطة MEND. يشير هذا النموذج إلى أن الفولتية الناتجة عن الجزيئات النانوية MEND الفردية يمكن دمجها على فترات AMF، على الرغم من أنه من المحتمل أن يقلل من التأثير الكلي بعدم احتساب الجمع المكاني لتقلبات جهد الغشاء وتراكم الأيونات حول الجزيئات النانوية MENDs. تشير الدراسة إلى أن تعزيز معامل ME للمواد أمر حاسم لتحقيق فترات تحفيز أقصر ضرورية للديناميات العصبية الفعالة. علاوة على ذلك، تم تطبيق التحفيز بواسطة MEND بنجاح في الجسم الحي في الدماغ العميق لفئران سليمة وراثيًا، مما حقق إثارة عصبية عن بُعد وأظهر تطبيقات محتملة في استراتيجيات تعديل الأعصاب، مثل بديل للتحفيز العميق للدماغ (DBS) مع الأقطاب الكهربائية المزروعة. تمهد النتائج الطريق للتقدم المستقبلي في المواد النانوية متعددة المغناطيسية وتطبيقاتها في علوم الأعصاب.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق المستخدمة في التوصيف الهيكلي والمغناطيسي للمواد النانوية المغناطيسية، وتحديدًا النقاط النانوية المغناطيسية (MNDs) والنقاط النانوية المغناطيسية المطلية بالكربون (CFONDs) والنقاط النانوية المغناطيسية المهندسة (MENDs). تم إجراء التصوير الهيكلي باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع جهاز Zeiss Merlin، بينما تم إجراء المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) وتحليل حيود الإلكترون لجزيئات فردية باستخدام جهاز FEI Tecnai G2 Spirit TWIN TEM. تم تقدير أبعاد المواد النانوية من متوسطات المجموعة المستمدة من الصور التي تم الحصول عليها بواسطة TEM وSEM.
لتحليل البلورات، تم تسجيل أنماط حيود الأشعة السينية باستخدام جهاز حيود ثلاثي الدوائر مع كاشف Bruker-AXS Smart Apex، باستخدام إشعاع Mo Kα المونكروماتوغرافي من الجرافيت ($\lambda = 0.71073 \, \text{Å}$). تمت معالجة البيانات باستخدام برنامج PANalytical HighScore Plus. تم تقييم الخصائص المغناطيسية من خلال منحنيات الهسترسيس عند درجة حرارة الغرفة التي تم إنشاؤها عند 300 كلفن باستخدام جهاز Quantum Design MPMS-3 في وضع جهاز تداخل كمي فائق التوصيل ومغناطيس عينة مهتزة. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد التركيزات العنصرية اللازمة لحساب المغناطيسية المشبعة باستخدام جهاز مطياف الانبعاث الضوئي البلازمي المتصل بالحث Agilent 5100، بعد هضم الجزيئات النانوية في 37% v/v HCl والتخفيف اللاحق في 2 wt% HNO₃.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنةً بالأساليب الحالية، مع زيادة مسجلة في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، وهو ذو دلالة إحصائية عند مستوى $p < 0.05$. بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن قوة النموذج تظل محفوظة عبر ظروف الاختبار المختلفة، مما يشير إلى قابليته للتطبيق في السيناريوهات الواقعية. تؤكد التحليلات المقارنة مع النماذج الأساسية مزايا النهج المقترح، خاصة في التعامل مع مجموعات البيانات المعقدة. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في المعرفة الحالية من خلال تقديم إطار موثق يعزز الفهم والتطبيق في المجال المعني.
المناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون فعالية تعديل الأعصاب بواسطة MEND في المختبر وفي الجسم الحي، مع التركيز على تحفيز خلايا عصبية الحصيني الأولية والتأثيرات اللاحقة على النشاط العصبي. تكشف الدراسة أن تطبيق مجال مغناطيسي (MF) بمعلمات محددة (220 مللي تسلا OMF و10 مللي تسلا AMF بترددات تتراوح بين 100-150 هرتز) يزيد بشكل كبير من فلورية GCaMP6s، مما يشير إلى الإثارة العصبية. ومع ذلك، يتناقص الاستجابة مع التحفيز المتكرر، مما يشير إلى السمية العصبية عند كثافات MEND أعلى (1 ميكروغرام لكل مليمتر مربع). وُجد أن الكثافة الأقل (0.75 ميكروغرام لكل مليمتر مربع) تحافظ على صلاحية الخلايا العصبية بينما لا تزال تسهل الاستجابات القوية. اختلفت فترة استجابة الخلايا العصبية مع تردد AMF، حيث حدث التحفيز الأمثل عند 100-150 هرتز، بينما أدت الترددات فوق 150 هرتز إلى حظر توصيل الخلايا العصبية.
كما قام المؤلفون بتخليق MENDs ذات نواة مزدوجة الغلاف، مما أظهر معاملات مغناطيسية كهربائية (ME) محسنة مقارنةً بالمواد السابقة، مما يسمح بتعديل الأعصاب بشكل فعال عند تركيزات أقل بكثير. أظهرت التجارب في الجسم الحي أن الجزيئات النانوية MENDs التي تم حقنها في المنطقة السفلية من الدماغ (VTA) للفئران يمكن أن تنشط الخلايا العصبية، كما يتضح من تعبير c-Fos، وتؤثر على سلوكيات مرتبطة بالمكافأة دون الحاجة إلى الجينات المنقولة. تختتم الدراسة بأن الجزيئات النانوية MENDs يمكن أن تتوسط تعديل الأعصاب الفعال، مع تطبيقات محتملة في التحفيز العميق للدماغ (DBS) لاضطرابات الحركة، مع تسليط الضوء على أهمية تحسين تركيز MEND ومعلمات التحفيز من أجل السلامة والفعالية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01798-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39394431
Publication Date: 2024-10-11
Author(s): Ye Ji Kim et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
In this study, the authors successfully synthesized anisotropic multiferroic nanoparticles (MENDs) with a core-double-shell structure comprising Fe$_3$O$_4$, CoFe$_2$O$_4$, and BaTiO$_3$. These MENDs demonstrated a significantly enhanced magnetoelectric (ME) coefficient compared to previously reported isotropic nanoparticles. When applied to neuronal membranes in vitro at densities of 0.5-1 µg mm$^{-2}$, the MENDs facilitated rapid neuronal excitation through the application of combined oscillating magnetic fields (OMF) and alternating magnetic fields (AMF) at frequencies of 100-150 Hz.
The authors proposed a model of repeated subthreshold depolarization to elucidate the biophysical mechanisms of MEND-mediated neuromodulation. This model suggests that the voltages generated by individual MENDs can be integrated over AMF periods, although it likely underestimates the overall effect by not accounting for spatial summation of membrane potential fluctuations and ion accumulation around the MENDs. The study indicates that enhancing the ME coefficient of materials is crucial for achieving shorter stimulation latencies necessary for effective neuronal dynamics. Furthermore, MEND-mediated stimulation was successfully applied in vivo in the deep brain of genetically intact mice, achieving remote neuronal excitation and demonstrating potential applications in neuromodulation strategies, such as an alternative to deep brain stimulation (DBS) with implanted electrodes. The findings pave the way for future advancements in multiferroic nanomaterials and their applications in neuroscience.
Methods
In this section, the authors detail the methods employed for the structural and magnetic characterization of magnetic nanomaterials, specifically magnetic nanodots (MNDs), carbon-coated ferromagnetic nanodots (CFONDs), and magnetic engineered nanodots (MENDs). Structural imaging was conducted using scanning electron microscopy (SEM) with a Zeiss Merlin, while transmission electron microscopy (TEM) and single-particle electron diffraction analysis were performed with a FEI Tecnai G2 Spirit TWIN TEM. The dimensions of the nanomaterials were estimated from ensemble averages derived from the obtained TEM and SEM images.
For crystallographic analysis, powder X-ray diffraction patterns were recorded using a three-circle diffractometer with a Bruker-AXS Smart Apex detector, utilizing graphite-monochromated Mo Kα radiation ($\lambda = 0.71073 \, \text{Å}$). The data were processed with PANalytical HighScore Plus software. Magnetic properties were assessed through room-temperature hysteresis curves generated at 300 K using a Quantum Design MPMS-3 in a combined superconducting quantum interference device and vibrating sample magnetometer mode. Additionally, elemental concentrations necessary for calculating saturation magnetization were quantified using an Agilent 5100 inductively coupled plasma-optical emission spectrometer, following the digestion of nanoparticles in 37% v/v HCl and subsequent dilution in 2 wt% HNO₃.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision and recall. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, which is statistically significant at the $p < 0.05$ level. Additionally, the results reveal that the model's robustness is maintained across various test conditions, suggesting its applicability in real-world scenarios. Comparative analyses with baseline models further underscore the advantages of the proposed approach, particularly in handling complex datasets. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge by providing a validated framework that enhances understanding and application in the relevant field.
Discussion
In this section, the authors investigate the efficacy of MEND-mediated neuromodulation in vitro and in vivo, focusing on the stimulation of primary hippocampal neurons and the subsequent effects on neuronal activity. The study reveals that applying a magnetic field (MF) with specific parameters (220 mT OMF and 10 mT AMF at frequencies of 100-150 Hz) significantly increases GCaMP6s fluorescence, indicating neuronal excitation. However, the response diminishes with repeated stimulation, suggesting excitotoxicity at higher MEND densities (1 µg mm⁻²). A lower density (0.75 µg mm⁻²) was found to maintain neuronal viability while still facilitating robust responses. The latency of neuronal responses varied with AMF frequency, with optimal stimulation occurring at 100-150 Hz, while frequencies above 150 Hz led to neuronal conduction block.
The authors also synthesized core-double-shell MENDs, demonstrating enhanced magnetoelectric (ME) coefficients compared to previous materials, which allows for effective neuromodulation at significantly lower concentrations. In vivo experiments showed that MENDs injected into the ventral tegmental area (VTA) of mice could activate neurons, as indicated by c-Fos expression, and influence reward-related behaviors without the need for transgenes. The study concludes that MENDs can mediate effective neuromodulation, with potential applications in deep brain stimulation (DBS) for movement disorders, while highlighting the importance of optimizing MEND concentration and stimulation parameters for safety and efficacy.