Nanomedische onderzoekers ontwikkelen nieuwe technologie om neurale circuits te besturen met behulp van magnetische velden

Onderzoekers van het Centrum voor Nanogeneeskunde binnen het Instituut voor Fundamentele Wetenschap (IBS) en de Yonsei Universiteit in Zuid-Korea hebben een technologie onthuld waarmee specifieke hersengebieden kunnen worden gemanipuleerd met behulp van magnetische velden. Daarmee kunnen mogelijk de geheimen van belangrijke hersenfuncties zoals cognitie, emotie en motivatie worden ontrafeld.

Het team heeft ’s werelds eerste Nano-MIND (Magnetogenetic Interface for NeuroDynamics) technologie ontwikkeld, die draadloze, op afstand en nauwkeurige modulatie van specifieke diepe hersencircuits mogelijk maakt met behulp van magnetisme. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Natuur Nanotechnologie.

Het menselijk brein bevat meer dan 100 miljard neuronen die met elkaar verbonden zijn in een complex netwerk. Het beheersen van de neurale circuits is cruciaal voor het begrijpen van hogere hersenfuncties zoals cognitie, emotie en sociaal gedrag, en voor het identificeren van de oorzaken van verschillende hersenstoornissen.

Nieuwe technologieën voor het aansturen van hersenfuncties hebben ook gevolgen voor de ontwikkeling van hersen-computerinterfaces (BCI’s), zoals die welke worden ontwikkeld door Neuralink. Deze interfaces zijn bedoeld om externe apparaten uitsluitend via gedachten te kunnen aansturen.

Magnetische velden worden al lang gebruikt in medische beeldvorming vanwege hun veiligheid en hun vermogen om biologisch weefsel te penetreren. Voor wetenschappers is het echter een grote uitdaging om hersencircuits nauwkeurig te besturen met magnetische velden.

Onderzoekers van het IBS hebben met succes een geavanceerde magnetogenetische technologie ontwikkeld, genaamd Nano-MIND, die draadloze en op afstand bediende controle van specifieke hersengebieden mogelijk maakt om complexe hersenfuncties zoals emoties, sociaal gedrag en motivatie bij dieren te moduleren. Deze geavanceerde technologie maakt gebruik van magnetische velden en gemagnetiseerde nanodeeltjes om selectief gerichte hersencircuits te activeren.

De belangrijkste innovatie ligt in de selectieve expressie van nano-magnetoreceptoren in specifieke neuronale typen en hersencircuits en in de activering ervan met roterende magnetische velden op precieze momenten, waardoor ruimtelijk-temporele controle van neurale activiteit mogelijk wordt.

Ten eerste heeft de Nano-MIND-technologie zijn vermogen aangetoond door selectief remmende GABA-receptoren te activeren in het mediale preoptische gebied (MPOA), dat verantwoordelijk is voor moederlijk gedrag. Activering van deze neuronen in niet-moederlijke vrouwelijke muizen verhoogde het verzorgende gedrag aanzienlijk, zoals het brengen van pups naar hun nest, vergelijkbaar met moederlijke muizen.

Bovendien werd de technologie gebruikt om eetgedrag te reguleren door motivatiecircuits in de laterale hypothalamus te targeten. Activering van remmende neuronen in deze gebieden resulteerde in een toename van 100% in eetlust en eetgedrag bij muizen. Omgekeerd leidde activering van exciterende neuronen tot een afname van meer dan 50% in eetlust en eetgedrag.

Deze resultaten laten zien dat nano-MIND-technologie selectief gewenste hersencircuits kan activeren om hogere hersenfuncties bidirectioneel te moduleren. Dit opent de weg voor vooruitgang in de neurowetenschap en mogelijke therapeutische toepassingen.

Directeur Cheon Jinwoo van het Center for Nanomedicine verklaarde: “Dit is ’s werelds eerste technologie om specifieke hersengebieden vrij te besturen met behulp van magnetische velden. We verwachten dat het op grote schaal zal worden gebruikt in onderzoek om hersenfuncties, geavanceerde kunstmatige neurale netwerken, tweerichtings-BCI-technologieën en nieuwe behandelingen voor neurologische aandoeningen te begrijpen.”