Gli elettrodi di grafene potrebbero consentire immagini di qualità superiore dell'attività delle cellule cerebrali grazie a una nuova ricerca condotta da un team di ingegneri e neuroscienziati dell'Università della California a San Diego.

I ricercatori hanno sviluppato una tecnica, utilizzando nanoparticelle di platino, per abbassare di 100 volte l'impedenza degli elettrodi di grafene mantenendoli trasparenti. Nei test sui topi transgenici, gli elettrodi di grafene a bassa impedenza sono stati in grado di registrare e visualizzare l'attività neuronale, come picchi di ioni calcio, sia a livello di macroscala che di singola cellula. Il progresso avvicina gli elettrodi di grafene all'adattamento alle tecnologie di imaging cerebrale di prossima generazione e a varie neuroscienze di base e applicazioni mediche.

Negli ultimi cinque anni, i ricercatori hanno esplorato elettrodi di grafene da utilizzare in impianti neurali che possono essere posizionati direttamente sulla superficie del cervello per registrare l'attività neuronale. Presentano diversi vantaggi rispetto ai tradizionali elettrodi metallici utilizzati negli impianti neurali odierni. Sono più sottili e flessibili, in modo che possano adattarsi meglio al tessuto cerebrale. Sono anche trasparenti, che permette sia di registrare che di vedere l'attività dei neuroni direttamente sotto gli elettrodi che altrimenti sarebbero bloccati da materiali metallici opachi.

Però, gli elettrodi di grafene soffrono di alta impedenza, il che significa che la corrente elettrica ha difficoltà a fluire attraverso il materiale. Ciò ostacola la comunicazione tra il cervello e i dispositivi di registrazione. Di conseguenza, le letture sono rumorose. E mentre ci sono varie tecniche per ridurre l'impedenza del grafene, rovinano la trasparenza del materiale.

In un nuovo studio, un team interdisciplinare di ricercatori dell'UC San Diego ha sviluppato una tecnica per progettare elettrodi di grafene che sono sia trasparenti che con un'impedenza 100 volte inferiore. Duygu Kuzum, un professore di ingegneria elettrica e informatica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering, ha condotto i lavori. Il suo team ha sviluppato la bassa impedenza, array di elettrodi di grafene trasparente. Hanno collaborato con Takaki Komiyama, professore di neurobiologia e neuroscienze presso la UC San Diego School of Medicine e Division of Biological Sciences, il cui team ha eseguito studi di imaging cerebrale con questi elettrodi in topi transgenici. L'opera è stata pubblicata di recente su Materiali funzionali avanzati .

"Questa tecnica è la prima a superare il problema dell'impedenza elettrochimica del grafene senza sacrificare la sua trasparenza, "disse Kuzum. "Riducendo l'impedenza, possiamo ridurre le dimensioni degli elettrodi fino alla dimensione di una singola cellula e registrare l'attività neurale con la risoluzione di una singola cellula".

Riduzione dell'impedenza

Un altro aspetto importante di questo lavoro è che è il primo a scoprire la radice dell'alta impedenza del grafene, una proprietà fondamentale chiamata capacità quantistica. È essenzialmente un limite al numero di "posti aperti" che il grafene deve immagazzinare elettroni. E con un numero limitato di posti a sedere dispersi nel materiale, gli elettroni hanno meno percorsi da percorrere.

Trovare una soluzione a questo limite è stata la chiave per abbassare l'impedenza. Il team di Kuzum ha scoperto che depositando nanoparticelle di platino sulla superficie del grafene, hanno creato un insieme alternativo di percorsi per incanalare il flusso di elettroni.

"Abbiamo scelto il platino perché è un materiale per elettrodi ben consolidato. È stato utilizzato per decenni a causa della sua bassa impedenza e biocompatibilità. E può essere facilmente depositato sul grafene a basso costo, " ha detto il primo autore Yichen Lu, un dottorato di ricerca in ingegneria elettrica. studente nel laboratorio di Kuzum alla UC San Diego.

I ricercatori hanno anche determinato una quantità di nanoparticelle di platino appena sufficiente per abbassare l'impedenza mantenendo alta la trasparenza. Con il loro metodo, gli elettrodi hanno mantenuto circa il 70 percento della loro trasparenza originale, che Kuzum osserva è ancora abbastanza buono da ottenere letture di alta qualità utilizzando l'imaging ottico.

Registrazione dell'attività delle cellule cerebrali nei topi

Il team di Kuzum ha collaborato con neuroscienziati nel laboratorio di Komiyama per testare i loro elettrodi su topi transgenici. I ricercatori hanno posizionato una serie di elettrodi sulla superficie della corteccia. Sono stati in grado di registrare e visualizzare simultaneamente l'attività degli ioni calcio nel cervello.

Nei loro esperimenti, hanno registrato l'attività cerebrale totale dalla superficie della corteccia. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a due fotoni per far brillare la luce laser attraverso gli elettrodi e sono stati in grado di visualizzare direttamente l'attività delle singole cellule cerebrali a 50 e 250 micrometri sotto la superficie del cervello. Ottenendo contemporaneamente sia i dati di registrazione che quelli di imaging, i ricercatori sono stati in grado di identificare quali cellule cerebrali erano responsabili dell'attività cerebrale totale.

"Questa nuova tecnologia consente di combinare registrazioni su macroscala dell'attività cerebrale, come l'EEG, con tecniche di imaging cellulare microscopico in grado di risolvere l'attività dettagliata delle singole cellule cerebrali, ", ha detto Komiyama.

"Questo lavoro apre nuove opportunità per utilizzare l'imaging ottico per rilevare quali neuroni sono la fonte dell'attività che stiamo misurando. Questo non è stato possibile con gli elettrodi precedenti. Ora abbiamo una nuova tecnologia che ci consente di registrare e visualizzare il cervello in modi che prima non potevamo, " disse Kuzum.

I prossimi passi del team includono rendere gli elettrodi più piccoli e incorporarli in matrici di elettrodi ad alta densità.