Grafenelektroder kan möjliggöra avbildning av högre cellaktivitet av högre kvalitet tack vare ny forskning från ett team av ingenjörer och neurovetenskapliga forskare vid University of California San Diego.

Forskarna utvecklade en teknik, använder platina nanopartiklar, för att sänka grafenelektrodernas impedans med 100 gånger samtidigt som de hålls transparenta. I tester på transgena möss, lågimpedansgrafenelektroderna kunde registrera och avbilda neuronal aktivitet, såsom kalciumjonpikar, på både makroskala och enstaka cellnivåer. Framstegen ger grafenelektroder ett steg närmare att anpassas till nästa generations hjärnbildningsteknik och olika grundläggande neurovetenskap och medicinska tillämpningar.

Under de senaste fem åren har forskare har undersökt grafenelektroder för användning i neurala implantat som kan placeras direkt på hjärnans yta för att registrera neuronal aktivitet. De har flera fördelar jämfört med de traditionella metallelektroderna som används i dagens neurala implantat. De är tunnare och smidigare, så de kan anpassa sig bättre till hjärnvävnad. De är också transparenta, vilket gör det möjligt att både registrera och se neurons aktivitet direkt under elektroderna som annars skulle blockeras av ogenomskinliga metallmaterial.

Dock, grafenelektroder lider av hög impedans, vilket betyder att elektrisk ström har svårt att flöda genom materialet. Detta hindrar kommunikationen mellan hjärnan och registreringsenheter. Avläsningar är bullriga som ett resultat. Och även om det finns olika tekniker för att minska grafens impedans, de förstör materialets transparens.

I en ny studie, ett tvärvetenskapligt team av forskare vid UC San Diego har utvecklat en teknik för att konstruera grafenelektroder som är både transparenta och 100 gånger lägre i impedans. Duygu Kuzum, professor i el- och datorteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, ledde arbetet. Hennes team utvecklade lågimpedansen, transparenta grafenelektroder. De samarbetade med Takaki Komiyama, professor i neurobiologi och neurovetenskap vid UC San Diego School of Medicine och Division of Biological Sciences, vars team utförde hjärnbildningsstudier med dessa elektroder i transgena möss. Verket publicerades nyligen i Avancerade funktionella material .

"Denna teknik är den första som övervinner grafens elektrokemiska impedansproblem utan att offra dess transparens, "sa Kuzum." Genom att sänka impedansen, vi kan krympa elektroddimensionerna till enstaka celler och registrera neural aktivitet med encellsupplösning. "

Sänker impedansen

En annan viktig aspekt av detta arbete är att det är den första som avslöjar roten till grafens höga impedans - en grundläggande egenskap som kallas kvantkapacitans. Det är i huvudsak en gräns för hur många "öppna platser" grafen har att lagra elektroner. Och med ett begränsat antal platser utspridda i materialet, elektroner har färre vägar att färdas genom.

Att hitta en lösning på denna gräns var nyckeln till att sänka impedansen. Kuzums team fann att genom att avsätta platina nanopartiklar på grafens yta, de skapade en alternativ uppsättning vägar för att kanalisera elektronflöde.

"Vi valde platina eftersom det är ett väletablerat elektrodmaterial. Det har använts i decennier på grund av dess låga impedans och biokompatibilitet. Och det kan enkelt deponeras på grafen till låg kostnad, "sade författaren Yichen Lu, en elteknik Ph.D. student i Kuzums laboratorium vid UC San Diego.

Forskare bestämde också en mängd platina nanopartiklar som var tillräckligt för att sänka impedansen samtidigt som transparensen var hög. Med deras metod, elektroderna behöll cirka 70 procent av sin ursprungliga transparens, som Kuzum noterar är fortfarande tillräckligt bra för att få högkvalitativa avläsningar med hjälp av optisk avbildning.

Registrerar hjärncellsaktivitet hos möss

Kuzums team samarbetade med neurovetenskapare i Komiyamas laboratorium för att testa sina elektroder i transgena möss. Forskare placerade en elektrodgrupp på ytan av cortex. De kunde samtidigt registrera och avbilda kalciumjonaktivitet i hjärnan.

I deras experiment, de registrerade den totala hjärnaktiviteten från ytan av cortex. På samma gång, forskare använde ett tvåfotonmikroskop för att lysa laserljus genom elektroderna och kunde direkt avbilda aktiviteten hos enskilda hjärnceller vid 50 och 250 mikrometer under hjärnans yta. Genom att erhålla både inspelnings- och bilddata samtidigt, forskare kunde identifiera vilka hjärnceller som var ansvariga för den totala hjärnaktiviteten.

"Denna nya teknik gör det möjligt att kombinera makroskaliga inspelningar av hjärnaktivitet, som EEG, med mikroskopiska cellulära bildtekniker som kan lösa detaljerad aktivitet för enskilda hjärnceller, sa Komiyama.

"Detta arbete öppnar nya möjligheter att använda optisk avbildning för att upptäcka vilka neuroner som är källan till den aktivitet vi mäter. Detta har inte varit möjligt med tidigare elektroder. Nu har vi en ny teknik som gör att vi kan spela in och avbilda hjärnan på sätt som vi inte kunde tidigare, sa Kuzum.

Teamets nästa steg inkluderar att göra elektroderna mindre och införliva dem i elektroder med hög densitet.