La nostra attuale comprensione di come funziona il cervello è molto scarsa. I segnali elettrici viaggiano intorno al cervello e in tutto il corpo, e le proprietà elettriche dei tessuti biologici sono studiate usando l'elettrofisiologia. Per acquisire una grande ampiezza e un'alta qualità dei segnali neuronali, la registrazione intracellulare è una metodologia potente rispetto alla registrazione extracellulare per misurare la tensione o la corrente attraverso le membrane cellulari. Sono stati sviluppati dispositivi basati su nanofili e nanotubi per le applicazioni di registrazione intracellulare per dimostrare i vantaggi di questi dispositivi con un'elevata risoluzione spaziale e un'elevata sensibilità.

Però, la lunghezza di questi dispositivi con elettrodi a nanofili/nanotubi è attualmente limitata a meno di 10 µm a causa di problemi di processo che si verificano durante la fabbricazione di dispositivi su nanoscala ad alto rapporto d'aspetto, che sono più lunghi di 10 µm. Così, i nanodispositivi convenzionali non sono applicabili a neuroni/cellule all'interno di tessuti biologici spessi, comprese le fette di cervello e il cervello in vivo.

Un team di ricerca del Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione Elettrica ed Elettronica e dell'Istituto di Ricerca Interdisciplinare Ispirato all'Elettronica (EIIRIS) della Toyohashi University of Technology ha sviluppato elettrodi tridimensionali basati su nanoscala (NTE) che sono più lunghi di 100 micron. La lunghezza dell'ago supera quella dei dispositivi intracellulari convenzionali basati su nanofili/nanotubi, ampliando così la gamma di applicazioni dei nanodispositivi nella registrazione intracellulare, come la penetrazione profonda dei tessuti. Inoltre, eseguono registrazioni intracellulari utilizzando cellule muscolari.

"Una sfida tecnologica in elettrofisiologia sono le registrazioni intracellulari all'interno di uno spesso tessuto biologico. Ad esempio, una lunghezza dell'ago superiore a 40 µm è necessaria per eseguire esperimenti di fetta di cervello. Però, è quasi impossibile penetrare aghi di diametro su scala nanometrica con un rapporto di aspetto elevato, a causa della lunga nanostruttura simile a un capello che ha una rigidità insufficiente. D'altra parte, il nostro NTE, che è un elettrodo a forma di cono lungo 120 µm, ha una rigidità sufficiente per colpire tessuti e cellule", spiega il primo autore dottorando, Yoshihiro Kubota.

Il capo del gruppo di ricerca, Il Professore Associato Takeshi Kawano ha dichiarato:"Anche se abbiamo dimostrato i risultati preliminari del nostro dispositivo NTE, la fabbricazione in lotti di tali elettrodi intracellulari, che hanno una lunghezza dell'ago superiore a 100 µm, dovrebbe portare a un progresso nelle tecnologie dei dispositivi. Questo alla fine porterà alla realizzazione di multisito, registrazioni intracellulari di profondità per tessuti biologici, comprese le fette di cervello e il cervello in vivo, che vanno oltre la capacità dei dispositivi intracellulari convenzionali."

Come affrontato dal gruppo di ricerca, la NTE ha il potenziale per essere utilizzata in cellule che si trovano in profondità all'interno di un tessuto biologico, tra cui fetta di cervello e cervello in vivo, accelerando così la comprensione del cervello.