Konventionella metallelektrodtekniker (uppe till vänster) är ogenomskinliga, hindrar utsikten över den underliggande neurala vävnaden. DARPA:s RE-NET-program har utvecklat nya grafensensorer som är elektriskt ledande men bara 4 atomer tjocka-hundratals gånger tunnare än nuvarande kontakter (övre mitten). Deras extrema tunnhet gör att nästan allt ljus kan passera genom ett brett spektrum av våglängder. Placerad på ett flexibelt plastunderlag som överensstämmer med vävnadens form (botten), sensorerna är en del av ett proof-of-concept-verktyg som visar mycket mindre, transparenta kontakter som kan mäta och stimulera nervvävnad samtidigt med elektriska och optiska metoder (uppe till höger).
Att förstå hjärnans anatomiska struktur och funktion är ett mångårigt mål inom neurovetenskap och högsta prioritet i president Obamas hjärninitiativ. Elektrisk övervakning och stimulering av neuronal signalering är en grundpelare för att studera hjärnans funktion, medan nya optiska tekniker - som använder fotoner istället för elektroner - öppnar nya möjligheter för att visualisera neural nätverksstruktur och utforska hjärnans funktioner. Elektriska och optiska tekniker erbjuder tydliga och kompletterande fördelar som, om de används tillsammans, kan ge stora fördelar för att studera hjärnan i hög upplösning. Att kombinera dessa tekniker är utmanande, dock, eftersom konventionell metallelektrodteknik är för tjock (> 500 nm) för att vara transparent för ljus, vilket gör dem oförenliga med många optiska metoder.
För att hjälpa till att övervinna dessa utmaningar, DARPA har skapat ett proof-of-concept-verktyg som visar mycket mindre, transparenta kontakter som kan mäta och stimulera nervvävnad med elektriska och optiska metoder samtidigt. Forskare vid University of Wisconsin i Madison utvecklade den nya teknologin med stöd från DARPA:s program Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET). Det beskrivs i detalj i ett papper i Naturkommunikation .
"Denna teknik visar potentiellt genombrottskapacitet för att visualisera och kvantifiera neural nätverksaktivitet i hjärnan, "sa Doug Weber, DARPA programchef. "Möjligheten att samtidigt mäta elektrisk aktivitet i stor och snabb skala med direkt visualisering och modulering av neuronal nätverksanatomi kan ge oöverträffad inblick i förhållanden mellan hjärnans struktur och funktion - och viktigare, hur dessa relationer utvecklas över tiden eller störs av skada eller sjukdom. "
Den nya enheten använder grafen, en nyligen upptäckt form av kol, på ett flexibelt plastunderlag som överensstämmer med vävnadens form. Grafensensorerna är elektriskt ledande men bara 4 atomer tjocka - mindre än 1 nanometer och hundratals gånger tunnare än nuvarande kontakter. Dess extrema tunnhet gör att nästan allt ljus kan passera genom ett brett spektrum av våglängder. Dessutom, grafen är giftfri för biologiska system, en förbättring jämfört med tidigare forskning om transparenta elektriska kontakter som är mycket tjockare, stel, svårt att tillverka och är beroende av potentiellt giftiga metalllegeringar.
Teknikdemonstrationen bygger på tre spetsforskningsområden:grafen, som gav forskarna Nobelpriset i fysik 2010; superupplöst fluorescerande mikroskopi, som gav forskarna Nobelpriset i kemi 2014; och optogenetik, vilket involverar genetiskt modifierande celler för att skapa specifika ljusreaktiva proteiner.
RE-NET försöker utveckla nya verktyg och tekniker för att förstå och övervinna misslyckande mekanismer i neurala gränssnitt. DARPA är intresserad av att utveckla nästa generations neuroteknik för att avslöja sambandet mellan neural nätverksstruktur och funktion. RE-NET, och efterföljande DARPA -program inom detta område, planerar att utnyttja detta nya verktyg genom att samtidigt mäta funktionen, fysisk rörelse och beteende hos neuroner i fritt rörliga ämnen. Denna teknik ger möjlighet att modulera neurala funktioner, genom att applicera programmerade pulser av el eller ljus för att tillfälligt aktivera neuroner. Därför, det kan inte bara ge bättre observation av inbyggd funktionalitet utan också, genom noggrann modulering av kretsaktivitet, möjliggöra utforskning av orsakssamband mellan neurala signaler och hjärnans funktion.
"Historiskt sett forskare har begränsats till korrelationsstudier som tyder på, men bevisar inte orsakssamband mellan neural aktivitet och beteende, "Sa Weber." Nu, vi har möjlighet att direkt se, mäta och stimulera neurala kretsar att utforska dessa relationer och utveckla och validera modeller för hjärnkretsfunktion. Denna kunskap kan i hög grad underlätta hur vi förstår och behandlar hjärnskador och sjukdomar. "
