De nouveaux nanodisques magnétiques pourraient constituer un moyen beaucoup moins invasif de stimuler certaines parties du cerveau, ouvrant ainsi la voie à des thérapies de stimulation sans implants ni modifications génétiques, rapportent les chercheurs du MIT.
Les scientifiques envisagent que les minuscules disques, mesurant environ 250 nanomètres de diamètre (environ 1/500 de la largeur d'un cheveu humain), seraient injectés directement à l'endroit souhaité dans le cerveau. À partir de là, ils pourraient être activés à tout moment simplement en appliquant un champ magnétique à l’extérieur du corps. Les nouvelles particules pourraient rapidement trouver des applications dans la recherche biomédicale et éventuellement, après des tests suffisants, pourraient être appliquées à des utilisations cliniques.
Le développement de ces nanoparticules est décrit dans la revue Nature Nanotechnologiedans un article de Polina Anikeeva, professeur aux départements de science et d'ingénierie des matériaux et de sciences du cerveau et cognitives du MIT, de l'étudiant diplômé Ye Ji Kim et de 17 autres personnes au MIT et en Allemagne.
La stimulation cérébrale profonde (DBS) est une procédure clinique courante qui utilise des électrodes implantées dans les régions cérébrales cibles pour traiter les symptômes de troubles neurologiques et psychiatriques tels que la maladie de Parkinson et les troubles obsessionnels compulsifs. Malgré son efficacité, la difficulté chirurgicale et les complications cliniques associées au DBS limitent le nombre de cas où une telle procédure invasive est justifiée. Les nouveaux nanodisques pourraient constituer un moyen beaucoup plus simple d’obtenir les mêmes résultats.
Au cours de la dernière décennie, d’autres méthodes sans implants pour produire une stimulation cérébrale ont été développées. Cependant, ces approches étaient souvent limitées par leur résolution spatiale ou leur capacité à cibler des régions profondes. Au cours de la dernière décennie, le groupe de bioélectronique d'Anikeeva ainsi que d'autres acteurs du domaine ont utilisé des nanomatériaux magnétiques pour transduire des signaux magnétiques distants en stimulation cérébrale. Cependant, ces méthodes magnétiques reposent sur des modifications génétiques et ne peuvent pas être utilisées chez l’homme.
Étant donné que toutes les cellules nerveuses sont sensibles aux signaux électriques, Kim, un étudiant diplômé du groupe d'Anikeeva, a émis l'hypothèse qu'un nanomatériau magnétoélectrique capable de convertir efficacement la magnétisation en potentiel électrique pourrait ouvrir la voie à une stimulation cérébrale magnétique à distance. La création d’un matériau magnétoélectrique à l’échelle nanométrique représentait cependant un formidable défi.
Kim a synthétisé de nouveaux nanodisques magnétoélectriques et a collaboré avec Noah Kent, postdoctorant dans le laboratoire d'Anikeeva avec une formation en physique et deuxième auteur de l'étude, pour comprendre les propriétés de ces particules.
La structure des nouveaux nanodisques se compose d'un noyau magnétique à deux couches et d'une coque piézoélectrique. Le noyau magnétique est magnétostrictif, ce qui signifie qu’il change de forme lorsqu’il est magnétisé. Cette déformation induit alors une contrainte dans la coque piézoélectrique qui produit une polarisation électrique variable. Grâce à la combinaison des deux effets, ces particules composites peuvent délivrer des impulsions électriques aux neurones lorsqu’elles sont exposées à des champs magnétiques.
L’une des clés de l’efficacité des disques est leur forme. Les tentatives précédentes d'utilisation de nanoparticules magnétiques avaient utilisé des particules sphériques, mais l'effet magnétoélectrique était très faible, explique Kim. Cette anisotropie augmente la magnétostriction de plus de 1 000 fois, ajoute Kent.
L’équipe a d’abord ajouté ses nanodisques à des neurones en culture, ce qui a ensuite permis d’activer ces cellules à la demande avec de courtes impulsions de champ magnétique. Cette stimulation n’a nécessité aucune modification génétique.
Ils ont ensuite injecté de petites gouttelettes de solution de nanodisques magnétoélectriques dans des régions spécifiques du cerveau de souris. Ensuite, le simple fait d’allumer un électro-aimant relativement faible à proximité a déclenché la libération par les particules d’une petite secousse électrique dans cette région du cerveau. La stimulation peut être activée et désactivée à distance par la commutation de l'électro-aimant. Cette stimulation électrique « a eu un impact sur l'activité neuronale et sur le comportement », explique Kim.
L’équipe a découvert que les nanodisques magnétoélectriques pouvaient stimuler une région cérébrale profonde, la zone tegmentale ventrale, associée aux sentiments de récompense.
L’équipe a également stimulé une autre zone du cerveau, le noyau sous-thalamique, associée au contrôle moteur. « C'est la région où les électrodes sont généralement implantées pour gérer la maladie de Parkinson », explique Kim. Les chercheurs ont réussi à démontrer la modulation du contrôle moteur à travers les particules. Plus précisément, en injectant des nanodisques uniquement dans un hémisphère, les chercheurs pourraient induire des rotations chez des souris saines en appliquant un champ magnétique.
Les nanodisques pourraient déclencher une activité neuronale comparable aux électrodes implantées classiques délivrant une légère stimulation électrique. Les auteurs ont atteint une précision temporelle inférieure à la seconde pour la stimulation neuronale avec leur méthode, tout en observant des réponses de corps étrangers considérablement réduites par rapport aux électrodes, permettant potentiellement une stimulation cérébrale profonde encore plus sûre.
La composition chimique multicouche ainsi que la forme physique et la taille des nouveaux nanodisques multicouches sont ce qui a rendu possible une stimulation précise.
Même si les chercheurs ont réussi à augmenter l'effet magnétostrictif, la deuxième partie du processus, la conversion de l'effet magnétique en sortie électrique, nécessite encore du travail, explique Anikeeva. Alors que la réponse magnétique était mille fois supérieure, la conversion en impulsion électrique n’était que quatre fois supérieure à celle des particules sphériques conventionnelles.
« Cette amélioration massive, mille fois supérieure, ne s'est pas complètement traduite par une amélioration magnétoélectrique », explique Kim. « C'est là que se concentreront une grande partie des travaux futurs, en veillant à ce que l'amplification mille fois supérieure dans la magnétostriction puisse être convertie en une amplification mille fois supérieure dans le couplage magnétoélectrique. »
Ce que l’équipe a découvert, quant à la façon dont la forme des particules affecte leur magnétostriction, était assez inattendu. « C'est une sorte de nouveauté qui est apparue lorsque nous avons essayé de comprendre pourquoi ces particules fonctionnaient si bien », explique Kent.
Oui, c'est une particule qui bat des records, mais elle ne bat pas autant de records qu'elle pourrait l'être. »
Polina Anikeeva, professeur, Massachusetts Institute of Technology
Cela reste un sujet de travail ultérieur, mais l'équipe a des idées sur la manière de progresser davantage.
Même si ces nanodisques pourraient en principe déjà être appliqués à la recherche fondamentale utilisant des modèles animaux, leur application clinique chez l'homme nécessiterait plusieurs étapes supplémentaires, notamment des études de sécurité à grande échelle, « ce qui n'est pas nécessairement le cas des chercheurs universitaires les mieux placés ». faire », dit Anikeeva. « Lorsque nous découvrirons que ces particules sont vraiment utiles dans un contexte clinique particulier, nous imaginons qu'il y aura une voie pour qu'elles soient soumises à des études plus rigoureuses sur la sécurité des animaux à grande échelle. »
L'équipe comprenait des chercheurs affiliés aux départements de science et d'ingénierie des matériaux, de génie électrique et d'informatique, de chimie et de sciences du cerveau et cognitives du MIT ; le Laboratoire de Recherche en Electronique ; l'Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau ; et l'Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer ; et de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen, en Allemagne. Le travail a été soutenu, en partie, par les National Institutes of Health, le National Center for Complementary and Integrative Health, le National Institute for Neurological Disorders and Stroke, le McGovern Institute for Brain Research et le K. Lisa Yang et Hock E. Centre Tan pour la thérapeutique moléculaire en neurosciences
