En plus de répondre aux stimuli électriques et chimiques, de nombreuses cellules neurales du corps peuvent également réagir aux effets mécaniques, comme la pression ou les vibrations. Mais ces réponses ont été plus difficiles à étudier pour les chercheurs, car il n'y a pas eu de méthode facilement contrôlable pour induire une telle stimulation mécanique des cellules. Maintenant, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont trouvé une nouvelle méthode pour y parvenir.

La découverte pourrait offrir une étape vers de nouveaux types de traitements thérapeutiques, similaire à la neurostimulation électrique qui a été utilisée pour traiter la maladie de Parkinson et d'autres conditions. Contrairement à ces systèmes, qui nécessitent une connexion filaire externe, le nouveau système serait totalement sans contact après une première injection de particules, et pourrait être réactivé à volonté grâce à un champ magnétique appliqué de l'extérieur.

La découverte est rapportée dans le journal ACS Nano , dans un article de l'ancienne postdoctorante du MIT Danijela Gregurec, Alexander Senko Ph.D. '19, Professeur agrégé Polina Anikeeva, et neuf autres au MIT, au Brigham and Women's Hospital de Boston, et en Espagne.

La nouvelle méthode ouvre une nouvelle voie pour la stimulation des cellules nerveuses dans le corps, qui jusqu'à présent reposait presque entièrement sur l'une ou l'autre des voies chimiques, par l'utilisation de produits pharmaceutiques, ou sur des voies électriques, qui nécessitent des fils invasifs pour fournir une tension dans le corps. Cette stimulation mécanique, qui active des voies de signalisation entièrement différentes au sein des neurones eux-mêmes, pourrait constituer un domaine d'étude important, disent les chercheurs.

"Une chose intéressante à propos du système nerveux est que les neurones peuvent réellement détecter des forces, " dit Senko. " C'est ainsi que fonctionne votre sens du toucher, et aussi votre sens de l'ouïe et de l'équilibre. » L'équipe a ciblé un groupe particulier de neurones au sein d'une structure connue sous le nom de ganglion de la racine dorsale, qui forme une interface entre les systèmes nerveux central et périphérique, car ces cellules sont particulièrement sensibles aux efforts mécaniques.

Les applications de la technique pourraient être similaires à celles en cours de développement dans le domaine des médicaments bioélectroniques, Senko dit, mais ceux-ci nécessitent des électrodes qui sont généralement beaucoup plus grosses et plus rigides que les neurones stimulés, limitant leur précision et endommageant parfois les cellules.

La clé du nouveau processus était le développement de disques minuscules avec une propriété magnétique inhabituelle, ce qui peut les faire commencer à flotter lorsqu'ils sont soumis à un certain type de champ magnétique variable. Bien que les particules elles-mêmes ne mesurent qu'une centaine de nanomètres de diamètre, environ un centième de la taille des neurones qu'ils essaient de stimuler, ils peuvent être fabriqués et injectés en grande quantité, de sorte que collectivement, leur effet est suffisamment fort pour activer les récepteurs de pression de la cellule. "Nous avons fabriqué des nanoparticules qui produisent en fait des forces que les cellules peuvent détecter et auxquelles répondre, " dit Senko.

Anikeeva dit que les nanoparticules magnétiques conventionnelles auraient nécessité l'activation de champs magnétiques trop grands, ainsi trouver des matériaux capables de fournir une force suffisante avec une activation magnétique modérée était "un problème très difficile". La solution s'est avérée être un nouveau type de nanodisques magnétiques.

Ces disques, qui font des centaines de nanomètres de diamètre, contiennent une configuration de vortex de spins atomiques lorsqu'il n'y a pas de champs magnétiques externes appliqués. Cela fait que les particules se comportent comme si elles n'étaient pas du tout magnétiques, les rendant exceptionnellement stables dans les solutions. Lorsque ces disques sont soumis à un champ magnétique variable très faible de quelques milliteslas, avec une basse fréquence de quelques hertz seulement, ils passent à un état où les spins internes sont tous alignés dans le plan du disque. Cela permet à ces nanodisques d'agir comme des leviers, se déplaçant de haut en bas avec la direction du champ.

Anikeeva, qui est professeur agrégé dans les départements de science et génie des matériaux et de sciences du cerveau et cognitives, dit que ce travail combine plusieurs disciplines, y compris la nouvelle chimie qui a conduit au développement de ces nanodisques, ainsi que des effets électromagnétiques et des travaux sur la biologie de la neurostimulation.

L'équipe a d'abord envisagé d'utiliser des particules d'un alliage métallique magnétique qui pourraient fournir les forces nécessaires, mais ce n'étaient pas des matériaux biocompatibles, et ils étaient prohibitifs. Les chercheurs ont trouvé un moyen d'utiliser des particules d'hématite, un oxyde de fer bénin, qui peuvent former les formes de disque requises. L'hématite a ensuite été convertie en magnétite, qui a les propriétés magnétiques dont ils avaient besoin et est connu pour être bénin dans le corps. Cette transformation chimique de l'hématite en magnétite transforme considérablement un tube de particules rouge sang en noir de jais.

"Nous devions confirmer que ces particules supportaient effectivement cet état de spin vraiment inhabituel, ce tourbillon, " dit Gregurec. Ils ont d'abord essayé les nanoparticules nouvellement développées et ont prouvé, en utilisant des systèmes d'imagerie holographique fournis par des collègues en Espagne, que les particules ont vraiment réagi comme prévu, fournissant les forces nécessaires pour susciter des réponses des neurones. Les résultats sont arrivés fin décembre et "tout le monde pensait que c'était un cadeau de Noël, " se souvient Anikeeva, "quand nous avons eu nos premiers hologrammes, et nous pouvions vraiment voir que ce que nous avons théoriquement prédit et chimiquement suspecté était en réalité physiquement vrai. »

Le travail en est encore à ses balbutiements, elle dit. "C'est une toute première démonstration qu'il est possible d'utiliser ces particules pour transduire de grandes forces aux membranes des neurones afin de les stimuler."

Elle ajoute « cela ouvre tout un champ de possibilités. … Cela signifie que partout dans le système nerveux où les cellules sont sensibles aux forces mécaniques, et c'est essentiellement n'importe quel organe, nous pouvons maintenant moduler la fonction de cet organe. » Cela rapproche la science, elle dit, à l'objectif de la médecine bioélectronique qui peut fournir une stimulation au niveau d'organes individuels ou de parties du corps, sans avoir besoin de médicaments ou d'électrodes.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.