I ricercatori della Perelman School of Medicine e della School of Engineering dell'Università della Pennsylvania e del Children's Hospital di Philadelphia hanno utilizzato il grafene, una forma bidimensionale di carbonio dello spessore di un solo atomo, per fabbricare un nuovo tipo di microelettrodo che risolve un problema importante per gli investigatori che cercano di capire gli intricati circuiti del cervello.

Individuare i dettagli di come operano i singoli circuiti neurali nell'epilessia e in altri disturbi neurologici richiede l'osservazione in tempo reale delle loro posizioni, modelli di sparo, e altri fattori, utilizzando immagini ottiche ad alta risoluzione e registrazioni elettrofisiologiche. Ma i tradizionali microelettrodi metallici sono opachi e bloccano la vista del medico e creano ombre che possono oscurare dettagli importanti. Nel passato, i ricercatori potrebbero ottenere immagini ottiche ad alta risoluzione o dati elettrofisiologici, ma non entrambi contemporaneamente.

Il Centro di Neuroingegneria e Terapia (CNT), sotto la guida dell'autore senior Brian Litt, dottorato di ricerca, ha risolto questo problema con lo sviluppo di un microelettrodo di grafene completamente trasparente che consente l'imaging ottico simultaneo e le registrazioni elettrofisiologiche dei circuiti neurali. Il loro lavoro è stato pubblicato questa settimana in Comunicazioni sulla natura .

"Ci sono tecnologie che possono dare una risoluzione spaziale molto alta come l'imaging del calcio; ci sono tecnologie che possono dare un'alta risoluzione temporale, come l'elettrofisiologia, ma non esiste un'unica tecnologia in grado di fornire entrambe le cose, " dice il co-primo autore dello studio Duygu Kuzum, dottorato di ricerca. Insieme al co-autore Hajime Takano, dottorato di ricerca, e i loro colleghi, Kuzum osserva che il team ha sviluppato una tecnologia di neuroelettrodo basata sul grafene per ottenere contemporaneamente un'elevata risoluzione spaziale e temporale.

A parte gli ovvi vantaggi della sua trasparenza, il grafene offre altri vantaggi:"Può agire come anticorrosivo per le superfici metalliche per eliminare tutte le reazioni elettrochimiche corrosive nei tessuti, " dice Kuzum. "È anche intrinsecamente un materiale a basso rumore, che è importante nella registrazione neurale perché cerchiamo di ottenere un elevato rapporto segnale-rumore".

Mentre sono stati fatti sforzi precedenti per costruire elettrodi trasparenti usando ossido di indio e stagno, sono costosi e molto fragili, rendendo quella sostanza inadatta per gli array di microelettrodi. "Un altro vantaggio del grafene è che è flessibile, così possiamo fare molto sottile, elettrodi flessibili che possono abbracciare il tessuto neurale, "Note di Kuzum.

Nello studio, piccolo, Kuzum, e i loro colleghi hanno eseguito l'imaging del calcio delle fette di ippocampo in un modello di ratto con microscopia confocale e a due fotoni, eseguendo anche registrazioni elettrofisiologiche. A livello di singola cellula, sono stati in grado di osservare i dettagli temporali delle convulsioni e dell'attività simil-convulsiva con una risoluzione molto elevata. Il team osserva inoltre che le tecniche a elettrodo singolo utilizzate nel Comunicazioni sulla natura lo studio potrebbe essere facilmente adattato per studiare altre aree più grandi del cervello con array più estesi.

I microelettrodi di grafene sviluppati potrebbero avere un'applicazione più ampia. "Possono essere utilizzati in qualsiasi applicazione di cui abbiamo bisogno per registrare segnali elettrici, come pacemaker cardiaci o stimolatori del sistema nervoso periferico, " dice Kuzum. A causa delle proprietà non magnetiche e anticorrosive del grafene, queste sonde "possono anche essere una tecnologia molto promettente per aumentare la longevità degli impianti neurali". Le caratteristiche amagnetiche del grafene consentono inoltre una sicurezza, lettura della risonanza magnetica senza artefatti, a differenza degli impianti metallici.

Kuzum sottolinea che la tecnologia dei microelettrodi di grafene trasparente è stata ottenuta attraverso uno sforzo interdisciplinare di CNT e dei dipartimenti di Neuroscienze, Pediatria, e Scienza dei Materiali alla Penn e la divisione di Neurologia al CHOP.

Il laboratorio di Ertugrul Cubukcu presso il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali ha aiutato con la tecnologia di elaborazione del grafene utilizzata nella fabbricazione di elettrodi neurali trasparenti flessibili, oltre a eseguire caratterizzazioni ottiche e dei materiali in collaborazione con Euijae Shim e Jason Reed. Gli esperimenti di imaging e registrazione simultanei che coinvolgono l'imaging del calcio con microscopia confocale e due fotoni sono stati eseguiti presso il laboratorio di Douglas Coulter presso CHOP con Hajime Takano. Esperimenti di registrazione in vivo sono stati eseguiti in collaborazione con Halvor Juul nel laboratorio di Marc Dichter. Gli esperimenti di risposta alla stimolazione somatasensoriale sono stati condotti in collaborazione con il laboratorio di Timothy Lucas, Giulio De Vries, e Andrew Richardson.

Man mano che la tecnologia viene ulteriormente sviluppata e utilizzata, Kuzum e i suoi colleghi si aspettano di ottenere maggiori informazioni su come la fisiologia del cervello può andare storta. "Può fornire informazioni sui circuiti neurali, che prima non era disponibile, perché non avevamo la tecnologia per sondarli, ", afferma. Tali informazioni possono includere l'identificazione di forme d'onda marker specifiche dell'attività elettrica cerebrale che possono essere mappate spazialmente e temporalmente ai singoli circuiti neurali. "Possiamo anche esaminare altri disturbi neurologici e cercare di capire la correlazione tra i diversi circuiti neurali utilizzando questa tecnica, " lei dice.