Magnetoelectric nanoparticles as innovative technology for motor nerve stimulation: feasibility assessment through computational methods

This study focuses on the assessment of the feasibility of using magnetoelectric nanoparticles (MENPs) for the stimulation of arm’s peripheral nerves, aiming at demonstrating their potentiality as tools for the next generation of bionic interfaces for human arms. The analysis was performed by means of computational techniques, paring electromagnetic simulation, and neuronal dynamic simulation. Both simplified geometries and more realistic models were used in the simulations. Particularly, the level of detail, and so the complexity of the model, increased in the simulations. At first, a very simple framework, with a single nanoparticle and a single axon, was useful to explore the influence of the MENP on the neuron, the impact of the interposed tissue, and variations over the stimulus itself. Then, the appropriateness of using MENPs in more realistic frameworks was demonstrated. Results suggested the feasibility of the proposed technique, highlighting the high spatial resolution achievable by such nanostructures.

Questo studio verifica la fattibilità dell’utilizzo delle particelle magnetoelettriche per la stimolazione dei nervi periferici del braccio. Lo scopo è quello di dimostrare la loro potenzialità come mezzi di stimolazione all’interno delle interfacce bioniche di prossima generazione degli arti umani superiori. L’analisi è stata effettuata attraverso tecniche computazionali, accoppiando simulazioni di tipo elettromagnetico e simulazioni che descrivono la dinamica neuronale. Sia modelli a geometria semplice che modelli a geometria complessa sono stati utilizzati nelle diverse simulazioni. In particolare, il livello di dettaglio, e quindi la complessità del modello stesso, è aumentata nelle varie simulazioni. All’inizio, una struttura semplice, costituita da una singola nanoparticella e un singolo assone, è stata oggetto di studio per analizzare l’influenza della nanoparticella stessa sulla risposta del neurone, approfondendo l’effetto di variazioni di distanza e modifiche sull’impulso di stimolazione. Successivamente è stata dimostrata l’adeguatezza dell’utilizzo delle nanoparticelle in un modello più realistico. I risultati suggeriscono la fattibilità dell’utilizzo di questa innovativa tecnica proposta, mettendo in risalto l’elevata risoluzione spaziale raggiungibile grazie a queste nanostrutture.