Comprendere la struttura anatomica e la funzione del cervello è un obiettivo di vecchia data nelle neuroscienze e una priorità assoluta dell'iniziativa sul cervello del presidente Obama. Il monitoraggio elettrico e la stimolazione della segnalazione neuronale è una tecnica fondamentale per lo studio della funzione cerebrale, mentre le tecniche ottiche emergenti, che utilizzano fotoni invece di elettroni, stanno aprendo nuove opportunità per visualizzare la struttura della rete neurale ed esplorare le funzioni cerebrali. Le tecniche elettriche e ottiche offrono vantaggi distinti e complementari che, se usati insieme, potrebbe offrire profondi benefici per lo studio del cervello ad alta risoluzione. La combinazione di queste tecnologie è impegnativa, però, perché le tecnologie convenzionali degli elettrodi metallici sono troppo spesse (> 500 nm) per essere trasparente alla luce, rendendoli incompatibili con molti approcci ottici.

Per aiutare a superare queste sfide, DARPA ha creato uno strumento di prova che dimostra molto più piccolo, contatti trasparenti in grado di misurare e stimolare il tessuto neurale utilizzando contemporaneamente metodi elettrici e ottici. I ricercatori dell'Università del Wisconsin a Madison hanno sviluppato la nuova tecnologia con il supporto del programma RE-NET (Reliable Neural-Interface Technology) della DARPA. È descritto in dettaglio in un documento in Comunicazioni sulla natura .

"Questa tecnologia dimostra capacità potenzialmente rivoluzionarie per visualizzare e quantificare l'attività della rete neurale nel cervello, "ha detto Doug Weber, Responsabile del programma DARPA. "La capacità di misurare simultaneamente l'attività elettrica su larga e veloce scala con la visualizzazione diretta e la modulazione dell'anatomia della rete neuronale potrebbe fornire informazioni senza precedenti sulle relazioni tra struttura e funzione del cervello e, soprattutto, come queste relazioni si evolvono nel tempo o sono perturbate da lesioni o malattie".

Il nuovo dispositivo utilizza il grafene, una forma di carbonio scoperta di recente, su un supporto in plastica flessibile che si adatta alla forma del tessuto. I sensori di grafene sono elettricamente conduttivi ma spessi solo 4 atomi, meno di 1 nanometro e centinaia di volte più sottili dei contatti attuali. La sua estrema sottigliezza consente a quasi tutta la luce di passare attraverso un'ampia gamma di lunghezze d'onda. Inoltre, il grafene non è tossico per i sistemi biologici, un miglioramento rispetto alla precedente ricerca sui contatti elettrici trasparenti che sono molto più spessi, rigido, difficile da produrre e dipendente da leghe metalliche potenzialmente tossiche.

La dimostrazione tecnologica si basa su tre campi di ricerca all'avanguardia:grafene, che ha valso ai ricercatori il Premio Nobel per la Fisica 2010; microscopia a fluorescenza super-risolta, che ha valso ai ricercatori il Premio Nobel per la Chimica 2014; e optogenetica, che coinvolge le cellule che modificano geneticamente per creare specifiche proteine ​​​​reattive alla luce.

RE-NET cerca di sviluppare nuovi strumenti e tecnologie per comprendere e superare i meccanismi di guasto delle interfacce neurali. DARPA è interessata a far progredire le neurotecnologie di prossima generazione per rivelare la relazione tra struttura e funzione della rete neurale. RE-NET, e successivi programmi DARPA in questo campo, prevede di sfruttare questo nuovo strumento misurando contemporaneamente la funzione, movimento fisico e comportamento dei neuroni in soggetti in movimento libero. Questa tecnologia fornisce la capacità di modulare la funzione neurale, applicando impulsi programmati di elettricità o luce per attivare temporaneamente i neuroni. Perciò, potrebbe non solo fornire una migliore osservazione della funzionalità nativa ma anche, attraverso un'attenta modulazione dell'attività del circuito, consentire l'esplorazione delle relazioni causali tra i segnali neurali e la funzione cerebrale.

"Storicamente, i ricercatori si sono limitati a studi correlazionali che suggeriscono, ma non dimostrano nessi causali tra attività neurale e comportamento, " Weber ha detto. "Ora, abbiamo l'opportunità di vedere direttamente, misurare e stimolare i circuiti neurali per esplorare queste relazioni e sviluppare e convalidare modelli della funzione dei circuiti cerebrali. Questa conoscenza potrebbe aiutare notevolmente il modo in cui comprendiamo e trattiamo le lesioni e le malattie cerebrali".