Magnetoelectric nanoparticles as novel tools for advanced neural stimulation: a computational study

This study investigates the potential of magnetoelectric nanoparticles (MENPs) for electric stimulation of the central nervous system at single neuron level. This aim was achieved by means of a computational approach built on finite element method, coupled with neuronal dynamic simulation performed on a realistic model of hippocampus CA1 pyramidal neuron. An evaluation of the influence of MENPs configurations over neural stimulation was implemented through analysis of the electromagnetic distributions, quantification of the activation function along the axon, amplification coefficient needed to elicit an action potential, and assessment of the neural response. Initially, a highly localized stimulation with a single MENP was simulated to estimate the impact of orientation and distance. Then, the suitability of a more realistic framework involving a cluster of MENPs was demonstrated. The results prove the feasibility of applying MENPs as an innovative approach for punctual neural stimulation and highlight how specific stimulation parameters affect essential factors for effective neuron activation. The evidence provided by this study could promote the integration of such groundbreaking nanostructures in the treatment of neurodegenerative diseases.

Questo studio indaga le potenzialità delle nanoparticelle magnetoelettriche (MENPs) per la stimolazione elettrica del sistema nervoso centrale a livello di singoli neuroni. L’obiettivo è stato raggiunto mediante un approccio computazionale basato sul metodo degli elementi finiti, combinato alla simulazione di dinamica neuronale eseguita su un modello realistico di neurone piramidale della regione CA1 dell'ippocampo. Un confronto dell'effetto delle configurazioni delle MENPs sulla stimolazione neuronale è stato implementato attraverso l'analisi delle distribuzioni elettromagnetiche, la quantificazione della funzione di attivazione lungo l'assone, il coefficiente di amplificazione necessario per indurre un potenziale d'azione e la valutazione della risposta neuronale. Inizialmente, è stata modellata una singola nanoparticella per stimare l'impatto di orientamento e distanza in una stimolazione altamente localizzata. Successivamente, è stata confermata l’adeguatezza di una condizione più realistica che coinvolge un cluster di MENPs. I risultati dimostrano la fattibilità dell'applicazione delle MENPs come approccio innovativo per la stimolazione neuronale ad alta risoluzione, evidenziando come i parametri di stimolazione specifici influiscono su fattori essenziali per un’attivazione efficace dei neuroni. Le evidenze fornite da questo studio potrebbero favorire l'integrazione di tali nanostrutture rivoluzionarie nel trattamento delle malattie neurodegenerative.