Atombredde grafensensorer kunne give en hidtil uset indsigt i hjernens struktur og funktion

At forstå hjernens anatomiske struktur og funktion er et mangeårigt mål inden for neurovidenskab og en topprioritet i præsident Obamas hjerneinitiativ. Elektrisk overvågning og stimulering af neuronal signalering er en grundpille teknik til at studere hjernefunktion, mens nye optiske teknikker - som bruger fotoner i stedet for elektroner - åbner nye muligheder for at visualisere neurale netværksstrukturer og udforske hjernefunktioner. Elektriske og optiske teknikker giver tydelige og komplementære fordele, der, hvis de bruges sammen, kunne tilbyde dybe fordele ved at studere hjernen ved høj opløsning. At kombinere disse teknologier er udfordrende, imidlertid, fordi konventionelle metalelektrodeteknologier er for tykke (> 500 nm) for at være gennemsigtig for lys, hvilket gør dem uforenelige med mange optiske tilgange.

For at hjælpe med at overvinde disse udfordringer, DARPA har skabt et proof-of-concept-værktøj, der viser meget mindre, gennemsigtige kontakter, der kan måle og stimulere neuralt væv ved hjælp af elektriske og optiske metoder på samme tid. Forskere ved University of Wisconsin i Madison udviklede den nye teknologi med støtte fra DARPA's Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET) program. Det er beskrevet detaljeret i et papir i Naturkommunikation .

"Denne teknologi demonstrerer potentielt gennembrudsevner til visualisering og kvantificering af neurale netværksaktiviteter i hjernen, "sagde Doug Weber, DARPA programleder. "Evnen til samtidigt at måle elektrisk aktivitet i stor og hurtig skala med direkte visualisering og modulering af neuronal netværksanatomi kunne give en hidtil uset indsigt i forholdet mellem hjernens struktur og funktion - og vigtigere, hvordan disse relationer udvikler sig over tid eller forstyrres af skade eller sygdom. "

Den nye enhed bruger grafen, en nyligt opdaget form for kulstof, på en fleksibel plastbeklædning, der er i overensstemmelse med vævsformen. Grafensensorerne er elektrisk ledende, men kun 4 atomer tykke - mindre end 1 nanometer og hundredvis af gange tyndere end nuværende kontakter. Dens ekstreme tyndhed gør det muligt for næsten alt lys at passere på tværs af en lang række bølgelængder. I øvrigt, grafen er ugiftigt for biologiske systemer, en forbedring i forhold til tidligere forskning i gennemsigtige elektriske kontakter, der er meget tykkere, stiv, svært at fremstille og er afhængig af potentielt giftige metallegeringer.

Teknologidemonstrationen trækker på tre banebrydende forskningsområder:grafen, som gav forskerne Nobelprisen i fysik i 2010; superopløst fluorescerende mikroskopi, som gav forskerne Nobelprisen i kemi 2014; og optogenetik, som involverer genetisk modificerende celler for at skabe specifikke lysreaktive proteiner.

RE-NET søger at udvikle nye værktøjer og teknologier til at forstå og overvinde fejlmekanismerne i neurale grænseflader. DARPA er interesseret i at fremme næste generations neuroteknologier til afsløring af forholdet mellem neurale netværksstruktur og funktion. RE-NET, og efterfølgende DARPA -programmer på dette område, planlægger at udnytte dette nye værktøj ved samtidig at måle funktionen, fysisk bevægelse og adfærd af neuroner i motiver i frit bevægelse. Denne teknologi giver mulighed for at modulere neurale funktioner, ved at anvende programmerede pulser af elektricitet eller lys til midlertidigt at aktivere neuroner. Derfor, det kunne ikke kun give bedre observation af indfødt funktionalitet, men også, gennem omhyggelig modulering af kredsløbets aktivitet, muliggøre udforskning af årsagssammenhænge mellem neurale signaler og hjernefunktion.

"Historisk set forskere har været begrænset til korrelationsstudier, der tyder på, men beviser ikke årsagssammenhæng mellem neural aktivitet og adfærd, "Sagde Weber." Nu, vi har mulighed for direkte at se, måle og stimulere neurale kredsløb til at udforske disse relationer og udvikle og validere modeller for hjernekredsløbsfunktion. Denne viden kan i høj grad hjælpe på, hvordan vi forstår og behandler hjerneskade og sygdom. "