Het begrijpen van de anatomische structuur en functie van de hersenen is een al lang bestaand doel in de neurowetenschappen en een topprioriteit van president Obama's herseninitiatief. Elektrische bewaking en stimulatie van neuronale signalering is een steunpilaartechniek voor het bestuderen van de hersenfunctie, terwijl opkomende optische technieken - die fotonen gebruiken in plaats van elektronen - nieuwe mogelijkheden openen voor het visualiseren van de neurale netwerkstructuur en het verkennen van hersenfuncties. Elektrische en optische technieken bieden duidelijke en complementaire voordelen die, indien samen gebruikt, zou grote voordelen kunnen bieden voor het bestuderen van de hersenen met een hoge resolutie. Het combineren van deze technologieën is een uitdaging, echter, omdat conventionele metaalelektrodetechnologieën te dik zijn (> 500 nm) transparant te zijn voor licht, waardoor ze onverenigbaar zijn met veel optische benaderingen.

Om deze uitdagingen te helpen overwinnen, DARPA heeft een proof-of-concept-tool gemaakt die veel kleinere, transparante contacten die neuraal weefsel kunnen meten en stimuleren met behulp van elektrische en optische methoden tegelijk. Onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin in Madison ontwikkelden de nieuwe technologie met ondersteuning van DARPA's Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET) programma. Het wordt in detail beschreven in een paper in Natuurcommunicatie .

"Deze technologie demonstreert potentieel baanbrekende mogelijkheden voor het visualiseren en kwantificeren van neurale netwerkactiviteit in de hersenen, " zei Doug Weber, DARPA programmamanager. "Het vermogen om tegelijkertijd elektrische activiteit op grote en snelle schaal te meten met directe visualisatie en modulatie van neuronale netwerkanatomie zou een ongekend inzicht kunnen bieden in relaties tussen hersenstructuur en -functie - en belangrijker nog, hoe deze relaties in de loop van de tijd evolueren of verstoord worden door letsel of ziekte."

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van grafeen, een recent ontdekte vorm van koolstof, op een flexibele plastic achterkant die zich aanpast aan de vorm van weefsel. De grafeensensoren zijn elektrisch geleidend maar slechts 4 atomen dik - minder dan 1 nanometer en honderden keren dunner dan huidige contacten. De extreme dunheid zorgt ervoor dat bijna al het licht door een breed scala aan golflengten kan gaan. Bovendien, grafeen is niet giftig voor biologische systemen, een verbetering ten opzichte van eerder onderzoek naar transparante elektrische contacten die veel dikker zijn, onbuigzaam, moeilijk te vervaardigen en afhankelijk van potentieel giftige metaallegeringen.

De technologiedemonstratie is gebaseerd op drie geavanceerde onderzoeksgebieden:grafeen, die onderzoekers de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2010 opleverden; superopgeloste fluorescentiemicroscopie, die onderzoekers de Nobelprijs voor de Scheikunde 2014 opleverden; en optogenetica, waarbij cellen genetisch worden gewijzigd om specifieke lichtreactieve eiwitten te creëren.

RE-NET wil nieuwe tools en technologieën ontwikkelen om de faalmechanismen van neurale interfaces te begrijpen en te overwinnen. DARPA is geïnteresseerd in het bevorderen van de volgende generatie neurotechnologieën om de relatie tussen neurale netwerkstructuur en -functie te onthullen. RE-NET, en daaropvolgende DARPA-programma's op dit gebied, plan om deze nieuwe tool te gebruiken door tegelijkertijd de functie te meten, fysieke beweging en gedrag van neuronen bij vrij bewegende onderwerpen. Deze technologie biedt de mogelijkheid om de neurale functie te moduleren, door geprogrammeerde pulsen van elektriciteit of licht toe te passen om neuronen tijdelijk te activeren. Daarom, het zou niet alleen een betere observatie van native functionaliteit kunnen bieden, maar ook, door zorgvuldige modulatie van circuitactiviteit, maakt het mogelijk om causale verbanden tussen neurale signalen en hersenfunctie te onderzoeken.

"Historisch, onderzoekers zijn beperkt tot correlatiestudies die suggereren, maar bewijzen geen causale verbanden tussen neurale activiteit en gedrag, "Zei Weber. "Nu, we hebben de mogelijkheid om direct te zien, meten en stimuleren van neurale circuits om deze relaties te onderzoeken en modellen van hersencircuitfunctie te ontwikkelen en valideren. Deze kennis kan enorm helpen bij het begrijpen en behandelen van hersenletsel en ziekte."