Investigadores de la Escuela de Medicina y de Ingeniería Perelman de la Universidad de Pensilvania y el Hospital de Niños de Filadelfia han utilizado grafeno, una forma bidimensional de carbono de solo un átomo de espesor, para fabricar un nuevo tipo de microelectrodo que resuelve un problema importante. para investigadores que buscan comprender los intrincados circuitos del cerebro.

Precisar los detalles de cómo operan los circuitos neuronales individuales en la epilepsia y otros trastornos neurológicos requiere la observación en tiempo real de sus ubicaciones, patrones de disparo, y otros factores, utilizando imágenes ópticas de alta resolución y registro electrofisiológico. Pero los microelectrodos metálicos tradicionales son opacos y bloquean la vista del médico y crean sombras que pueden ocultar detalles importantes. En el pasado, los investigadores podrían obtener imágenes ópticas de alta resolución o datos electrofisiológicos, pero no ambos al mismo tiempo.

El Centro de Neuroingeniería y Terapéutica (CNT), bajo el liderazgo del autor principal Brian Litt, Doctor, ha resuelto este problema con el desarrollo de un microelectrodo de grafeno completamente transparente que permite obtener imágenes ópticas y grabaciones electrofisiológicas simultáneas de los circuitos neuronales. Su trabajo fue publicado esta semana en Comunicaciones de la naturaleza .

"Hay tecnologías que pueden dar una resolución espacial muy alta, como las imágenes de calcio; hay tecnologías que pueden dar una alta resolución temporal, como la electrofisiología, pero no existe una tecnología única que pueda proporcionar ambas "dice el coautor del estudio, Duygu Kuzum, Doctor. Junto con el coautor Hajime Takano, Doctor, y sus colegas, Kuzum señala que el equipo desarrolló una tecnología de neuroelectrodos basada en grafeno para lograr una alta resolución espacial y temporal simultáneamente.

Aparte de los obvios beneficios de su transparencia, el grafeno ofrece otras ventajas:"Puede actuar como anticorrosivo para las superficies metálicas para eliminar todas las reacciones electroquímicas corrosivas en los tejidos, ", Dice Kuzum." También es inherentemente un material de bajo ruido, lo cual es importante en la grabación neuronal porque tratamos de obtener una alta relación señal / ruido ".

Si bien se han realizado esfuerzos anteriores para construir electrodos transparentes utilizando óxido de indio y estaño, son caras y muy frágiles, haciendo que esa sustancia no sea adecuada para matrices de microelectrodos. "Otra ventaja del grafeno es que es flexible, para que podamos hacer muy delgados, electrodos flexibles que pueden abrazar el tejido neural, "Observa Kuzum.

En el estudio, Litt, Kuzum, y sus colegas realizaron imágenes de calcio de cortes de hipocampo en un modelo de rata con microscopía confocal y de dos fotones, mientras también realiza grabaciones electrofisiológicas. A nivel de celda individual, pudieron observar los detalles temporales de las convulsiones y la actividad similar a una convulsión con una resolución muy alta. El equipo también señala que las técnicas de electrodo único utilizadas en el Comunicaciones de la naturaleza El estudio podría adaptarse fácilmente para estudiar otras áreas más grandes del cerebro con matrices más expansivas.

Los microelectrodos de grafeno desarrollados podrían tener una aplicación más amplia. "Se pueden utilizar en cualquier aplicación que necesitemos para registrar señales eléctricas, como marcapasos cardíacos o estimuladores del sistema nervioso periférico, "dice Kuzum. Debido a las propiedades anticorrosivas y no magnéticas del grafeno, estas sondas "también pueden ser una tecnología muy prometedora para aumentar la longevidad de los implantes neurales". Las características no magnéticas del grafeno también permiten lectura de resonancia magnética sin artefactos, a diferencia de los implantes metálicos.

Kuzum enfatiza que la tecnología de microelectrodos de grafeno transparente se logró a través de un esfuerzo interdisciplinario de la CNT y los departamentos de Neurociencia, Pediatría, y Ciencia de Materiales en Penn y la división de Neurología en CHOP.

El laboratorio de Ertugrul Cubukcu en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales ayudó con la tecnología de procesamiento de grafeno utilizada en la fabricación de electrodos neuronales transparentes y flexibles. además de realizar caracterización óptica y de materiales en colaboración con Euijae Shim y Jason Reed. Los experimentos simultáneos de imágenes y grabación que involucran imágenes de calcio con microscopía confocal y de dos fotones se realizaron en el laboratorio de Douglas Coulter en CHOP con Hajime Takano. Se realizaron experimentos de grabación in vivo en colaboración con Halvor Juul en el laboratorio de Marc Dichter. Los experimentos de respuesta de estimulación somatasensorial se realizaron en colaboración con el laboratorio de Timothy Lucas, Julius De Vries, y Andrew Richardson.

A medida que la tecnología se desarrolle y utilice, Kuzum y sus colegas esperan obtener una mayor comprensión de cómo la fisiología del cerebro puede fallar. "Puede proporcionar información sobre circuitos neuronales, que no estaba disponible antes, porque no teníamos la tecnología para probarlos, ", dice. Esa información puede incluir la identificación de formas de onda marcadoras específicas de la actividad eléctrica cerebral que se pueden mapear espacial y temporalmente a circuitos neuronales individuales". También podemos observar otros trastornos neurológicos y tratar de comprender la correlación entre diferentes circuitos neuronales utilizando esta tecnica, " ella dice.