Forskare från Perelman School of Medicine och Engineering School vid University of Pennsylvania och The Children's Hospital of Philadelphia har använt grafen-en tvådimensionell form av kol som bara är en atom tjock-för att tillverka en ny typ av mikroelektroder som löser ett stort problem för utredare som vill förstå hjärnans intrikata kretsar.

Att fästa detaljerna om hur enskilda neuralkretsar fungerar vid epilepsi och andra neurologiska störningar kräver observation i realtid av deras platser, eldsmönster, och andra faktorer, med hjälp av högupplöst optisk avbildning och elektrofysiologisk inspelning. Men traditionella metalliska mikroelektroder är ogenomskinliga och blockerar klinikerns syn och skapar skuggor som kan dölja viktiga detaljer. Förr, forskare kan få antingen högupplösta optiska bilder eller elektrofysiologiska data, men inte båda samtidigt.

Center for NeuroEngineering and Therapeutics (CNT), under ledning av seniorförfattaren Brian Litt, Doktorsexamen, har löst detta problem med utvecklingen av en helt transparent grafenmikroelektrod som möjliggör samtidig optisk avbildning och elektrofysiologiska inspelningar av neurala kretsar. Deras arbete publicerades den här veckan i Naturkommunikation .

"Det finns tekniker som kan ge mycket hög rumslig upplösning, såsom kalciumavbildning; det finns teknik som kan ge hög tidsupplösning, såsom elektrofysiologi, men det finns ingen enda teknik som kan ge båda, "säger studieförfattaren Duygu Kuzum, Doktorsexamen. Tillsammans med medförfattaren Hajime Takano, Doktorsexamen, och deras kollegor, Kuzum noterar att teamet utvecklat en neuroelektrodteknik baserad på grafen för att uppnå hög rumslig och tidsmässig upplösning samtidigt.

Bortsett från de uppenbara fördelarna med dess transparens, grafen erbjuder andra fördelar:"Det kan fungera som ett korrosionsskydd för metallytor för att eliminera alla korrosiva elektrokemiska reaktioner i vävnader, "Säger Kuzum." Det är också i sig ett ljudlöst material, vilket är viktigt vid neural inspelning eftersom vi försöker få ett högt signal / brusförhållande. "

Även om tidigare ansträngningar har gjorts för att konstruera transparenta elektroder med hjälp av indiumtennoxid, de är dyra och mycket spröda, vilket gör det ämnet olämpligt för mikroelektroder. "En annan fördel med grafen är att det är flexibelt, så vi kan göra väldigt tunna, flexibla elektroder som kan krama nervvävnaden, "Noterar Kuzum.

I studien, Litt, Kuzum, och deras kollegor utförde kalciumavbildning av hippocampusskivor i en råttmodell med både konfokal och tvåfotonmikroskopi, samtidigt som de utför elektrofysiologiska inspelningar. På en individuell cellnivå, de kunde observera tidsmässiga detaljer om anfall och anfallsliknande aktivitet med mycket hög upplösning. Teamet noterar också att enkelelektrodteknikerna som används i Naturkommunikation studien kan enkelt anpassas för att studera andra större delar av hjärnan med mer expansiva arrays.

De grafenmikroelektroder som utvecklats kan ha större tillämpning. "De kan användas i alla applikationer som vi behöver för att spela in elektriska signaler, såsom pacemakers eller stimulatorer av det perifera nervsystemet, "säger Kuzum. På grund av grafens omagnetiska och korrosionsskyddande egenskaper, dessa sonder "kan också vara en mycket lovande teknik för att öka livslängden för neurala implantat." Grafenens omagnetiska egenskaper möjliggör också säkra, artifaktfri MR-läsning, till skillnad från metallimplantat.

Kuzum betonar att den transparenta grafenmikroelektrodtekniken uppnåddes genom ett tvärvetenskapligt arbete från CNT och avdelningarna för neurovetenskap, Pediatrik, och materialvetenskap vid Penn och avdelningen för neurologi vid CHOP.

Ertugrul Cubukcus laboratorium vid avdelningen för materialvetenskap och teknik hjälpte till med grafenbearbetningstekniken som används vid tillverkning av flexibla transparenta neuralelektroder, samt utför optisk och materialkarakterisering i samarbete med Euijae Shim och Jason Reed. Samtidiga avbildnings- och inspelningsexperiment med kalciumavbildning med konfokal och två fotonmikroskopi utfördes på Douglas Coulters Lab på CHOP med Hajime Takano. In vivo inspelningsexperiment utfördes i samarbete med Halvor Juul i Marc Dichters Lab. Somatasensoriska stimuleringssvarsexperiment utfördes i samarbete med Timothy Lucas Lab, Julius De Vries, och Andrew Richardson.

Eftersom tekniken vidareutvecklas och används, Kuzum och hennes kollegor förväntar sig att få större inblick i hur hjärnans fysiologi kan gå snett. "Den kan ge information om neurala kretsar, som inte var tillgänglig förut, eftersom vi inte hade tekniken för att undersöka dem, "säger hon. Den informationen kan innefatta identifiering av specifika markörvågformer av hjärnans elektriska aktivitet som kan mappas rumsligt och tidsmässigt till enskilda neurala kretsar." Vi kan också titta på andra neurologiska störningar och försöka förstå sambandet mellan olika neurala kretsar med hjälp av denna teknik, " hon säger.