Las tecnologías convencionales de electrodos metálicos (arriba a la izquierda) son opacas, obstruyendo las vistas del tejido neural subyacente. El programa RE-NET de DARPA ha desarrollado nuevos sensores de grafeno que son conductores de electricidad pero con un grosor de solo 4 átomos, cientos de veces más delgados que los contactos de corriente (centro superior). Su extrema delgadez permite que casi toda la luz atraviese una amplia gama de longitudes de onda. Colocado sobre un respaldo de plástico flexible que se adapta a la forma del tejido (parte inferior), los sensores son parte de una herramienta de prueba de concepto que demuestra mucho más pequeño, contactos transparentes que pueden medir y estimular el tejido neural usando métodos eléctricos y ópticos al mismo tiempo (arriba a la derecha).
Comprender la estructura anatómica y la función del cerebro es un objetivo de larga data en neurociencia y una de las principales prioridades de la iniciativa cerebral del presidente Obama. La monitorización eléctrica y la estimulación de la señalización neuronal es una técnica fundamental para estudiar la función cerebral. mientras que las técnicas ópticas emergentes, que utilizan fotones en lugar de electrones, abren nuevas oportunidades para visualizar la estructura de la red neuronal y explorar las funciones cerebrales. Las técnicas eléctricas y ópticas ofrecen ventajas distintas y complementarias que, si se usan juntos, podría ofrecer grandes beneficios para el estudio del cerebro en alta resolución. Combinar estas tecnologías es un desafío, sin embargo, porque las tecnologías convencionales de electrodos metálicos son demasiado gruesas (> 500 nm) para ser transparente a la luz, haciéndolos incompatibles con muchos enfoques ópticos.
Para ayudar a superar estos desafíos, DARPA ha creado una herramienta de prueba de concepto que demuestra mucho más pequeño, contactos transparentes que pueden medir y estimular el tejido neural utilizando métodos eléctricos y ópticos al mismo tiempo. Investigadores de la Universidad de Wisconsin en Madison desarrollaron la nueva tecnología con el apoyo del programa Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET) de DARPA. Se describe en detalle en un documento en Comunicaciones de la naturaleza .
"Esta tecnología demuestra capacidades potencialmente revolucionarias para visualizar y cuantificar la actividad de la red neuronal en el cerebro, "dijo Doug Weber, Gerente del programa DARPA. "La capacidad de medir simultáneamente la actividad eléctrica en una escala grande y rápida con visualización directa y modulación de la anatomía de la red neuronal podría proporcionar información sin precedentes sobre las relaciones entre la estructura y función del cerebro y, lo que es más importante, cómo estas relaciones evolucionan con el tiempo o se ven perturbadas por lesiones o enfermedades ".
El nuevo dispositivo usa grafeno, una forma de carbono recientemente descubierta, sobre un respaldo de plástico flexible que se adapta a la forma del tejido. Los sensores de grafeno son conductores de electricidad pero solo 4 átomos de espesor, menos de 1 nanómetro y cientos de veces más delgados que los contactos de corriente. Su extrema delgadez permite que casi toda la luz atraviese una amplia gama de longitudes de onda. Es más, el grafeno no es tóxico para los sistemas biológicos, una mejora con respecto a investigaciones anteriores sobre contactos eléctricos transparentes que son mucho más gruesos, rígido, difícil de fabricar y dependiente de aleaciones metálicas potencialmente tóxicas.
La demostración de tecnología se basa en tres campos de investigación de vanguardia:grafeno, que le valió a los investigadores el Premio Nobel de Física 2010; microscopía fluorescente súper resuelta, que le valió a los investigadores el Premio Nobel de Química 2014; y optogenética, que implica modificar células genéticamente para crear proteínas específicas que reaccionan a la luz.
RE-NET busca desarrollar nuevas herramientas y tecnologías para comprender y superar los mecanismos de falla de las interfaces neuronales. DARPA está interesada en el avance de las neurotecnologías de próxima generación para revelar la relación entre la estructura y función de la red neuronal. RE-NET, y programas posteriores de DARPA en este campo, planee aprovechar esta nueva herramienta midiendo simultáneamente la función, movimiento físico y comportamiento de las neuronas en sujetos que se mueven libremente. Esta tecnología proporciona la capacidad de modular la función neuronal, aplicando pulsos programados de electricidad o luz para activar temporalmente las neuronas. Por lo tanto, no solo podría proporcionar una mejor observación de la funcionalidad nativa, sino también, mediante una cuidadosa modulación de la actividad del circuito, Permitir la exploración de las relaciones causales entre las señales neuronales y la función cerebral.
"Históricamente, Los investigadores se han limitado a estudios correlacionales que sugieren, pero no prueban los vínculos causales entre la actividad neuronal y el comportamiento, "Weber dijo." Ahora, tenemos la oportunidad de ver directamente, medir y estimular los circuitos neuronales para explorar estas relaciones y desarrollar y validar modelos de la función de los circuitos cerebrales. Este conocimiento podría ser de gran ayuda para comprender y tratar las lesiones y enfermedades cerebrales ".
