Se igennem, et-atom-tyk, kulelektroder kraftfuldt værktøj til at studere hjernesygdomme

Forskere fra Perelman School of Medicine og School of Engineering ved University of Pennsylvania og The Children's Hospital of Philadelphia har brugt grafen-en todimensionel form for kulstof kun et atom tykt-til at fremstille en ny type mikroelektrode, der løser et stort problem for efterforskere, der ønsker at forstå hjernens indviklede kredsløb.

At fastlægge detaljerne om, hvordan individuelle neurale kredsløb fungerer ved epilepsi og andre neurologiske lidelser, kræver observation i realtid af deres placeringer, fyringsmønstre, og andre faktorer, ved hjælp af optisk billeddannelse i høj opløsning og elektrofysiologisk optagelse. Men traditionelle metalliske mikroelektroder er uigennemsigtige og blokerer klinikerens syn og skaber skygger, der kan skjule vigtige detaljer. I fortiden, forskere kunne opnå enten optiske billeder i høj opløsning eller elektrofysiologiske data, men ikke begge på samme tid.

Center for Neuroingeniør og Terapeutik (CNT), under ledelse af seniorforfatter Brian Litt, Ph.d., har løst dette problem med udviklingen af ​​en fuldstændig gennemsigtig grafenmikroelektrode, der muliggør samtidig optisk billeddannelse og elektrofysiologiske optagelser af neurale kredsløb. Deres arbejde blev offentliggjort i denne uge i Naturkommunikation .

"Der er teknologier, der kan give meget høj rumlig opløsning, såsom calciumbilleddannelse; der er teknologier, der kan give høj tidsmæssig opløsning, såsom elektrofysiologi, men der er ingen enkelt teknologi, der kan levere begge dele, "siger studieforfatter Duygu Kuzum, Ph.d. Sammen med medforfatter Hajime Takano, Ph.d., og deres kolleger, Kuzum bemærker, at teamet udviklede en neuroelektrode -teknologi baseret på grafen for at opnå høj rumlig og tidsmæssig opløsning samtidigt.

Bortset fra de åbenlyse fordele ved dens gennemsigtighed, grafen giver andre fordele:"Det kan fungere som et korrosionsbeskyttende middel for metaloverflader for at fjerne alle ætsende elektrokemiske reaktioner i væv, "Kuzum siger." Det er også i sagens natur et støjsvagt materiale, hvilket er vigtigt i neural optagelse, fordi vi forsøger at få et højt signal-til-støj-forhold. "

Mens der tidligere er gjort en indsats for at konstruere transparente elektroder ved hjælp af indiumtinoxid, de er dyre og meget sprøde, hvilket gør dette stof dårligt egnet til mikroelektrodearays. "En anden fordel ved grafen er, at det er fleksibelt, så vi kan lave meget tynde, fleksible elektroder, der kan kramme det neurale væv, "Noterer Kuzum.

I undersøgelsen, Litt, Kuzum, og deres kolleger udførte calcium-billeddannelse af hippocampus-skiver i en rotte-model med både konfokal og to-foton-mikroskopi, samtidig med at der foretages elektrofysiologiske optagelser. På et individuelt celleniveau, de var i stand til at observere tidsmæssige detaljer om anfald og anfaldslignende aktivitet med meget høj opløsning. Teamet bemærker også, at de enkeltelektrodeteknikker, der bruges i Naturkommunikation undersøgelse kunne let tilpasses til at studere andre større områder af hjernen med mere ekspansive arrays.

De udviklede grafenmikroelektroder kunne have bredere anvendelse. "De kan bruges i enhver applikation, vi har brug for til at registrere elektriske signaler, såsom hjertestartere eller stimulatorer af det perifere nervesystem, "siger Kuzum. På grund af grafens ikke-magnetiske og korrosionsbeskyttende egenskaber, disse sonder "kan også være en meget lovende teknologi til at øge levetiden for neurale implantater." Graphens ikke -magnetiske egenskaber muliggør også sikre, artefaktfri MR-læsning, i modsætning til metalliske implantater.

Kuzum understreger, at den transparente grafenmikroelektrodteknologi blev opnået gennem en tværfaglig indsats fra CNT og afdelingerne for neurovidenskab, Pædiatri, og materialevidenskab hos Penn og divisionen for neurologi på CHOP.

Ertugrul Cubukcus laboratorium ved Materials Science and Engineering Department hjalp med grafenbehandlingsteknologien, der blev brugt til at fremstille fleksible gennemsigtige neurale elektroder, samt udførelse af optisk og materialekarakterisering i samarbejde med Euijae Shim og Jason Reed. De samtidige billeddannelses- og optagelseseksperimenter, der involverede calciumbilleddannelse med konfokal og to fotonmikroskopi, blev udført på Douglas Coulters Lab på CHOP med Hajime Takano. In vivo -optagelseseksperimenter blev udført i samarbejde med Halvor Juul i Marc Dichters Lab. Somatasensoriske stimuleringsresponsforsøg blev udført i samarbejde med Timothy Lucas's Lab, Julius De Vries, og Andrew Richardson.

Efterhånden som teknologien videreudvikles og bruges, Kuzum og hendes kolleger forventer at få større indsigt i, hvordan hjernens fysiologi kan gå galt. "Det kan give oplysninger om neurale kredsløb, som ikke var tilgængelig før, fordi vi ikke havde teknologien til at undersøge dem, "siger hun. Disse oplysninger kan omfatte identifikation af specifikke markørbølgeformer for hjernens elektriske aktivitet, der kan kortlægges rumligt og tidsmæssigt til individuelle neurale kredsløb." Vi kan også se på andre neurologiske lidelser og forsøge at forstå sammenhængen mellem forskellige neurale kredsløb vha. denne teknik, " hun siger.