Dankzij nieuw onderzoek door een team van ingenieurs en neurowetenschappers van de University of California San Diego kunnen grafeenelektroden een hogere kwaliteit beeldvorming van hersencelactiviteit mogelijk maken.

De onderzoekers ontwikkelden een techniek, met behulp van platina nanodeeltjes, om de impedantie van grafeenelektroden met 100 keer te verlagen terwijl ze transparant blijven. In tests op transgene muizen, de grafeenelektroden met lage impedantie waren in staat om neuronale activiteit vast te leggen en af ​​te beelden, zoals calciumionenpieken, zowel op macroschaal als op eencellig niveau. De vooruitgang brengt grafeenelektroden een stap dichter bij aanpassing aan de volgende generatie hersenbeeldvormingstechnologieën en verschillende basale neurowetenschaps- en medische toepassingen.

In de afgelopen vijf jaar, onderzoekers hebben grafeenelektroden onderzocht voor gebruik in neurale implantaten die direct op het oppervlak van de hersenen kunnen worden geplaatst om neuronale activiteit vast te leggen. Ze hebben verschillende voordelen ten opzichte van de traditionele metalen elektroden die in de huidige neurale implantaten worden gebruikt. Ze zijn dunner en flexibeler, zodat ze zich beter kunnen aanpassen aan hersenweefsel. Ze zijn ook transparant, wat het mogelijk maakt om zowel de activiteit van neuronen direct onder de elektroden, die anders zouden worden geblokkeerd door ondoorzichtige metalen materialen, te registreren en te zien.

Echter, grafeenelektroden hebben een hoge impedantie, wat betekent dat elektrische stroom moeilijk door het materiaal kan stromen. Dit belemmert de communicatie tussen de hersenen en opnameapparatuur. Lezingen zijn daardoor luidruchtig. En hoewel er verschillende technieken zijn om de impedantie van grafeen te verminderen, ze verpesten de transparantie van het materiaal.

In een nieuwe studie, een interdisciplinair team van onderzoekers van UC San Diego heeft een techniek ontwikkeld om grafeenelektroden te ontwerpen die zowel transparant als 100 keer lager in impedantie zijn. Duygu Kuzum, een professor in elektrische en computertechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, leidde het werk. Haar team ontwikkelde de laagohmige, transparante grafeenelektrode-arrays. Ze werkten samen met Takaki Komiyama, een professor in neurobiologie en neurowetenschappen aan de UC San Diego School of Medicine en Division of Biological Sciences, wiens team hersenbeeldvormingsonderzoeken heeft uitgevoerd met deze elektroden bij transgene muizen. Het werk is onlangs gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .

"Deze techniek is de eerste die het elektrochemische impedantieprobleem van grafeen overwint zonder de transparantie op te offeren, " zei Kuzum. "Door de impedantie te verlagen, we kunnen elektrodeafmetingen verkleinen tot een enkele celgrootte en neurale activiteit opnemen met een enkele celresolutie."

Impedantie verlagen

Een ander belangrijk aspect van dit werk is dat het de eerste is die de wortel van de hoge impedantie van grafeen blootlegt - een fundamentele eigenschap die kwantumcapaciteit wordt genoemd. Het is in wezen een limiet voor het aantal "open stoelen" dat grafeen elektronen moet opslaan. En met een beperkt aantal zitplaatsen verspreid over het materiaal, elektronen hebben minder paden om doorheen te reizen.

Het vinden van een tijdelijke oplossing voor deze limiet was de sleutel tot het verlagen van de impedantie. Kuzum's team ontdekte dat door platina-nanodeeltjes op het oppervlak van grafeen te deponeren, ze creëerden een alternatieve reeks paden om de elektronenstroom te kanaliseren.

"We hebben voor platina gekozen omdat het een beproefd elektrodemateriaal is. Het wordt al tientallen jaren gebruikt vanwege de lage impedantie en biocompatibiliteit. En het kan gemakkelijk tegen lage kosten op grafeen worden gedeponeerd, " zei eerste auteur Yichen Lu, een elektrotechniek Ph.D. student in het laboratorium van Kuzum aan de UC San Diego.

Onderzoekers bepaalden ook een hoeveelheid platina-nanodeeltjes die net genoeg was om de impedantie te verlagen en tegelijkertijd de transparantie hoog te houden. Met hun methode de elektroden behielden ongeveer 70 procent van hun oorspronkelijke transparantie, die Kuzum opmerkt, is nog steeds goed genoeg om metingen van hoge kwaliteit te krijgen met behulp van optische beeldvorming.

Hersencelactiviteit registreren bij muizen

Het team van Kuzum werkte samen met neurowetenschappers in het laboratorium van Komiyama om hun elektroden in transgene muizen te testen. Onderzoekers plaatsten een elektrode-array op het oppervlak van de cortex. Ze waren in staat om gelijktijdig calciumionactiviteit in de hersenen vast te leggen en in beeld te brengen.

In hun experimenten, ze registreerden de totale hersenactiviteit vanaf het oppervlak van de cortex. Tegelijkertijd, onderzoekers gebruikten een twee-fotonenmicroscoop om laserlicht door de elektroden te schijnen en waren in staat om de activiteit van individuele hersencellen direct af te beelden op 50 en 250 micrometer onder het hersenoppervlak. Door zowel opname- als beeldgegevens tegelijkertijd te verkrijgen, onderzoekers konden identificeren welke hersencellen verantwoordelijk waren voor de totale hersenactiviteit.

"Deze nieuwe technologie maakt het mogelijk om opnames op macroschaal van hersenactiviteit te combineren, zoals EEG, met microscopische cellulaire beeldvormingstechnieken die gedetailleerde activiteit van individuele hersencellen kunnen oplossen, ' zei Komiya.

"Dit werk opent nieuwe mogelijkheden om optische beeldvorming te gebruiken om te detecteren welke neuronen de bron zijn van de activiteit die we meten. Dit was niet mogelijk met eerdere elektroden. Nu hebben we een nieuwe technologie waarmee we de hersenen kunnen opnemen en afbeelden op manieren die we voorheen niet konden, ' zei Kuzum.

De volgende stappen van het team zijn onder meer het kleiner maken van de elektroden en het opnemen ervan in elektrodenreeksen met een hoge dichtheid.