Magnetoelectric Nanodiscs Enable Wireless Transgene-Free Neuromodulation

神经调节 神经科学 脑深部刺激 联轴节(管道) 光遗传学 磁刺激 刺激 纳米技术 计算机科学 材料科学 生物 医学 病理 冶金 疾病 帕金森病
作者
Ye Ji Kim,Nicolette Driscoll,Nigel Kent,Esther Paniagua,Anthony Tabet,Florian Koehler,Marie Manthey,Atharva Sahasrabudhe,Lorenzo Signorelli,Danijela Gregurec,Polina Anikeeva
标识
DOI:10.1101/2023.12.24.573272
摘要

Deep-brain stimulation (DBS) with implanted electrodes revolutionized treatment of movement disorders and empowered neuroscience studies. Identifying less invasive alternatives to DBS may further extend its clinical and research applications. Nanomaterial-mediated transduction of magnetic fields into electric potentials offers an alternative to invasive DBS. Here, we synthesize magnetoelectric nanodiscs (MENDs) with a core-double shell Fe3O4-CoFe2O4-BaTiO3 architecture with efficient magnetoelectric coupling. We find robust responses to magnetic field stimulation in neurons decorated with MENDs at a density of 1 μg/mm2 despite individual-particle potentials below the neuronal excitation threshold. We propose a model for repetitive subthreshold depolarization, which combined with cable theory, corroborates our findings in vitro and informs magnetoelectric stimulation in vivo. MENDs injected into the ventral tegmental area of genetically intact mice at concentrations of 1 mg/mL enable remote control of reward behavior, setting the stage for mechanistic optimization of magnetoelectric neuromodulation and inspiring its future applications in fundamental and translational neuroscience.
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