Onderzoekers van de Perelman School of Medicine en School of Engineering aan de University of Pennsylvania en The Children's Hospital of Philadelphia hebben grafeen - een tweedimensionale vorm van koolstof van slechts één atoom dik - gebruikt om een ​​nieuw type micro-elektrode te fabriceren die een groot probleem oplost voor onderzoekers die de ingewikkelde circuits van de hersenen willen begrijpen.

Om de details vast te stellen van hoe individuele neurale circuits werken bij epilepsie en andere neurologische aandoeningen, vereist realtime observatie van hun locaties, schietpatronen, en andere factoren, met behulp van optische beeldvorming met hoge resolutie en elektrofysiologische opname. Maar traditionele metalen micro-elektroden zijn ondoorzichtig en blokkeren het zicht van de arts en creëren schaduwen die belangrijke details kunnen verdoezelen. Vroeger, onderzoekers konden optische beelden met hoge resolutie of elektrofysiologische gegevens verkrijgen, maar niet allebei tegelijk.

Het Centrum voor Neuro-engineering en Therapeutica (CNT), onder leiding van senior auteur Brian Litt, doctoraat, heeft dit probleem opgelost met de ontwikkeling van een volledig transparante grafeen-micro-elektrode die gelijktijdige optische beeldvorming en elektrofysiologische opnames van neurale circuits mogelijk maakt. Hun werk is deze week gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Er zijn technologieën die een zeer hoge ruimtelijke resolutie kunnen geven, zoals calciumbeeldvorming; er zijn technologieën die een hoge temporele resolutie kunnen geven, zoals elektrofysiologie, maar er is geen enkele technologie die beide kan bieden, " zegt studie co-eerste auteur Duygu Kuzum, doctoraat. Samen met co-auteur Hajime Takano, doctoraat, en hun collega's, Kuzum merkt op dat het team een ​​neuro-elektrodetechnologie heeft ontwikkeld op basis van grafeen om tegelijkertijd een hoge ruimtelijke en temporele resolutie te bereiken.

Afgezien van de duidelijke voordelen van de transparantie, grafeen biedt andere voordelen:"Het kan werken als een corrosiewerend middel voor metalen oppervlakken om alle corrosieve elektrochemische reacties in weefsels te elimineren, " zegt Kuzum. "Het is ook inherent een geluidsarm materiaal, wat belangrijk is bij neurale opnames omdat we proberen een hoge signaal-ruisverhouding te krijgen."

Terwijl eerdere pogingen zijn gedaan om transparante elektroden te construeren met behulp van indiumtinoxide, ze zijn duur en zeer broos, waardoor die stof ongeschikt is voor micro-elektrode-arrays. "Een ander voordeel van grafeen is dat het flexibel is, dus we kunnen heel dun maken, flexibele elektroden die het zenuwweefsel kunnen omsluiten, ’ merkt Kuzum op.

In de studie, kleintje, Kuzum, en hun collega's voerden calciumbeeldvorming uit van hippocampus-plakjes in een rattenmodel met zowel confocale als twee-fotonmicroscopie, terwijl ook het uitvoeren van elektrofysiologische opnames. Op individueel celniveau ze waren in staat om temporele details van aanvallen en epileptische activiteit met een zeer hoge resolutie te observeren. Het team merkt ook op dat de technieken met één elektrode die worden gebruikt in de Natuurcommunicatie studie kan gemakkelijk worden aangepast om andere grotere delen van de hersenen te bestuderen met uitgebreidere arrays.

De ontwikkelde grafeen-micro-elektroden zouden een bredere toepassing kunnen hebben. "Ze kunnen worden gebruikt in elke toepassing die we nodig hebben om elektrische signalen op te nemen, zoals pacemakers of stimulatoren van het perifere zenuwstelsel, ", zegt Kuzum. Vanwege de niet-magnetische en corrosiewerende eigenschappen van grafeen, deze sondes "kunnen ook een veelbelovende technologie zijn om de levensduur van neurale implantaten te verlengen." De niet-magnetische eigenschappen van grafeen zorgen ook voor veilige, artefactvrije MRI-uitlezing, in tegenstelling tot metalen implantaten.

Kuzum benadrukt dat de transparante grafeen-micro-elektrodetechnologie werd bereikt door een interdisciplinaire inspanning van CNT en de afdelingen Neurowetenschappen, Kindergeneeskunde, en Materials Science bij Penn en de afdeling Neurologie bij CHOP.

Het laboratorium van Ertugrul Cubukcu op de afdeling Materials Science and Engineering hielp met de grafeenverwerkingstechnologie die wordt gebruikt bij het vervaardigen van flexibele transparante neurale elektroden, evenals het uitvoeren van optische en materiaalkarakterisering in samenwerking met Euijae Shim en Jason Reed. De gelijktijdige beeldvormings- en opname-experimenten met calciumbeeldvorming met confocale en twee fotonenmicroscopie werden uitgevoerd in Douglas Coulter's Lab in CHOP met Hajime Takano. In-vivo-opname-experimenten werden uitgevoerd in samenwerking met Halvor Juul in Marc Dichter's Lab. Somatasensorische stimulatierespons-experimenten werden uitgevoerd in samenwerking met Timothy Lucas's Lab, Julius de Vries, en Andrew Richardson.

Naarmate de technologie verder wordt ontwikkeld en gebruikt, Kuzum en haar collega's verwachten meer inzicht te krijgen in hoe de fysiologie van de hersenen mis kan gaan. "Het kan informatie geven over neurale circuits, die voorheen niet beschikbaar was, omdat we de technologie niet hadden om ze te onderzoeken, " zegt ze. Die informatie kan de identificatie van specifieke markergolfvormen van elektrische hersenactiviteit omvatten die ruimtelijk en temporeel kunnen worden toegewezen aan individuele neurale circuits. "We kunnen ook naar andere neurologische aandoeningen kijken en proberen de correlatie tussen verschillende neurale circuits te begrijpen met behulp van deze techniek, " ze zegt.