Et drys af platin nanopartikler på grafen gør hjernesonder mere følsomme

Grafenelektroder kan muliggøre billeddannelse af hjernecelleaktivitet af højere kvalitet takket være ny forskning fra et team af ingeniører og neurovidenskabsfolk ved University of California San Diego.

Forskerne udviklede en teknik, ved hjælp af platin nanopartikler, at sænke grafenelektrodernes impedans med 100 gange og samtidig holde dem gennemsigtige. I test på transgene mus, lavimpedans-grafenelektroderne var i stand til at registrere og billede neuronal aktivitet, såsom calciumion pigge, på både makroskalaen og enkeltcelle niveauer. Fremskridtet bringer grafenelektroder et skridt tættere på at blive tilpasset til næste generations hjernebilledteknologier og forskellige grundlæggende neurovidenskaber og medicinske applikationer.

I løbet af de sidste fem år har forskere har undersøgt grafenelektroder til brug i neurale implantater, der kan placeres direkte på hjernens overflade for at registrere neuronal aktivitet. De har flere fordele i forhold til de traditionelle metalelektroder, der bruges i nutidens neurale implantater. De er tyndere og fleksible, så de bedre kan tilpasse sig hjernevæv. De er også gennemsigtige, som gør det muligt både at registrere og se neuroners aktivitet direkte under elektroderne, der ellers ville blive blokeret af uigennemsigtige metalmaterialer.

Imidlertid, grafenelektroder lider af høj impedans, hvilket betyder, at elektrisk strøm har svært ved at flyde gennem materialet. Dette forhindrer kommunikation mellem hjernen og registreringsenheder. Aflæsninger er støjende som følge heraf. Og selvom der er forskellige teknikker til at reducere grafens impedans, de ødelægger materialets gennemsigtighed.

I en ny undersøgelse, et tværfagligt team af forskere ved UC San Diego har udviklet en teknik til at konstruere grafenelektroder, der både er transparente og 100 gange lavere i impedans. Duygu Kuzum, professor i elektrisk og computerteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, ledet arbejdet. Hendes team udviklede lavimpedansen, gennemsigtige grafenelektroder. De samarbejdede med Takaki Komiyama, professor i neurobiologi og neurovidenskab ved UC San Diego School of Medicine og Division of Biological Sciences, hvis team udførte hjerneafbildningsundersøgelser med disse elektroder i transgene mus. Værket blev for nylig offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer .

"Denne teknik er den første til at overvinde grafens elektrokemiske impedansproblem uden at ofre dens gennemsigtighed, "sagde Kuzum." Ved at sænke impedansen, vi kan krympe elektrode dimensioner ned til enkelt cellestørrelse og registrere neural aktivitet med enkelt celle opløsning. "

Sænker impedans

Et andet vigtigt aspekt af dette arbejde er, at det er det første, der afdækker roden til grafens høje impedans - en grundlæggende egenskab kaldet kvantekapacitans. Det er i det væsentlige en grænse for, hvor mange "åbne sæder" grafen skal gemme elektroner. Og med et begrænset antal sæder spredt i hele materialet, elektroner har færre veje at rejse igennem.

At finde en løsning på denne grænse var nøglen til at sænke impedansen. Kuzums team fandt ud af, at ved at deponere platin -nanopartikler på grafens overflade, de skabte et alternativt sæt stier til kanal elektronstrøm.

"Vi valgte platin, fordi det er et veletableret elektrodemateriale. Det har været brugt i årtier på grund af dets lave impedans og biokompatibilitet. Og det kan let aflejres på grafen til lave omkostninger, "sagde første forfatter Yichen Lu, en elektroteknik ph.d. studerende i Kuzums laboratorium ved UC San Diego.

Forskere bestemte også en mængde platin -nanopartikler, der var lige nok til at sænke impedansen, samtidig med at gennemsigtigheden var høj. Med deres metode, elektroderne beholdt omkring 70 procent af deres oprindelige gennemsigtighed, som Kuzum bemærker, er stadig god nok til at få aflæsninger i høj kvalitet ved hjælp af optisk billeddannelse.

Registrering af hjernecelleaktivitet hos mus

Kuzums team samarbejdede med neurovidenskabsfolk i Komiyamas laboratorium for at teste deres elektroder i transgene mus. Forskere placerede et elektrode -array på overfladen af ​​cortex. De var i stand til samtidigt at registrere og forestille calciumionaktivitet i hjernen.

I deres eksperimenter, de registrerede den samlede hjerneaktivitet fra overfladen af ​​cortex. På samme tid, forskere brugte et to-foton mikroskop til at skinne laserlys gennem elektroderne og var i stand til direkte at forestille aktiviteten af ​​individuelle hjerneceller på 50 og 250 mikrometer under hjernens overflade. Ved at opnå både optagelses- og billeddannelsesdata på samme tid, forskere var i stand til at identificere, hvilke hjerneceller der var ansvarlige for den samlede hjerneaktivitet.

"Denne nye teknologi gør det muligt at kombinere makroskala -optagelser af hjerneaktivitet, som EEG, med mikroskopiske cellulære billeddannelsesteknikker, der kan løse detaljeret aktivitet af individuelle hjerneceller, "sagde Komiyama.

"Dette arbejde åbner op for nye muligheder for at bruge optisk billeddannelse til at opdage, hvilke neuroner der er kilden til den aktivitet, vi måler. Dette har ikke været muligt med tidligere elektroder. Nu har vi en ny teknologi, der gør det muligt for os at registrere og afbilde hjernen på måder, vi ikke kunne før, "sagde Kuzum.

Holdets næste trin omfatter at gøre elektroderne mindre og indarbejde dem i elektroder med høj densitet.