Los electrodos de grafeno podrían permitir imágenes de mayor calidad de la actividad de las células cerebrales gracias a una nueva investigación realizada por un equipo de ingenieros y neurocientíficos de la Universidad de California en San Diego.

Los investigadores desarrollaron una técnica, utilizando nanopartículas de platino, para reducir la impedancia de los electrodos de grafeno en 100 veces mientras los mantiene transparentes. En pruebas con ratones transgénicos, los electrodos de grafeno de baja impedancia pudieron registrar e visualizar la actividad neuronal, como picos de iones de calcio, tanto a nivel de macroescala como de celda única. El avance acerca a los electrodos de grafeno a adaptarse a las tecnologías de imágenes cerebrales de próxima generación y a diversas aplicaciones médicas y de neurociencia básica.

En los últimos cinco años, Los investigadores han estado explorando electrodos de grafeno para su uso en implantes neurales que se pueden colocar directamente en la superficie del cerebro para registrar la actividad neuronal. Tienen varias ventajas sobre los electrodos metálicos tradicionales que se utilizan en los implantes neurales actuales. Son más delgados y flexibles, para que se adapten mejor al tejido cerebral. También son transparentes, lo que hace posible tanto registrar como ver la actividad de las neuronas directamente debajo de los electrodos que de otro modo serían bloqueados por materiales metálicos opacos.

Sin embargo, Los electrodos de grafeno sufren de alta impedancia, lo que significa que la corriente eléctrica tiene dificultades para fluir a través del material. Esto dificulta la comunicación entre el cerebro y los dispositivos de grabación. Como resultado, las lecturas son ruidosas. Y aunque existen varias técnicas para reducir la impedancia del grafeno, arruinan la transparencia del material.

En un nuevo estudio, Un equipo interdisciplinario de investigadores de UC San Diego ha desarrollado una técnica para diseñar electrodos de grafeno que son transparentes y 100 veces más bajos en impedancia. Duygu Kuzum, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, dirigió el trabajo. Su equipo desarrolló la baja impedancia, matrices de electrodos de grafeno transparentes. Colaboraron con Takaki Komiyama, profesor de neurobiología y neurociencias en la Facultad de Medicina y División de Ciencias Biológicas de UC San Diego, cuyo equipo realizó estudios de imágenes cerebrales con estos electrodos en ratones transgénicos. El trabajo fue publicado recientemente en Materiales funcionales avanzados .

"Esta técnica es la primera en superar el problema de impedancia electroquímica del grafeno sin sacrificar su transparencia, ", dijo Kuzum." Al reducir la impedancia, podemos reducir las dimensiones de los electrodos al tamaño de una sola celda y registrar la actividad neuronal con la resolución de una sola celda ".

Reducir la impedancia

Otro aspecto importante de este trabajo es que es el primero en descubrir la raíz de la alta impedancia del grafeno, una propiedad fundamental llamada capacitancia cuántica. Esencialmente, es un límite en la cantidad de "asientos abiertos" que tiene el grafeno para almacenar electrones. Y con un número limitado de asientos dispersos por todo el material, los electrones tienen menos caminos por los que viajar.

Encontrar una solución a este límite fue clave para reducir la impedancia. El equipo de Kuzum descubrió que al depositar nanopartículas de platino en la superficie del grafeno, crearon un conjunto alternativo de caminos para canalizar el flujo de electrones.

"Elegimos el platino porque es un material de electrodo bien establecido. Se ha utilizado durante décadas debido a su baja impedancia y biocompatibilidad. Y se puede depositar fácilmente sobre grafeno a bajo costo". "dijo el primer autor Yichen Lu, un doctorado en ingeniería eléctrica estudiante en el laboratorio de Kuzum en UC San Diego.

Los investigadores también determinaron una cantidad de nanopartículas de platino que era suficiente para reducir la impedancia y mantener la transparencia alta. Con su método, los electrodos retuvieron alrededor del 70 por ciento de su transparencia original, lo que Kuzum señala que sigue siendo lo suficientemente bueno como para obtener lecturas de alta calidad utilizando imágenes ópticas.

Registro de la actividad de las células cerebrales en ratones

El equipo de Kuzum colaboró ​​con neurocientíficos en el laboratorio de Komiyama para probar sus electrodos en ratones transgénicos. Los investigadores colocaron una matriz de electrodos en la superficie de la corteza. Pudieron registrar e visualizar simultáneamente la actividad de los iones de calcio en el cerebro.

En sus experimentos, registraron la actividad cerebral total de la superficie de la corteza. Al mismo tiempo, Los investigadores utilizaron un microscopio de dos fotones para hacer brillar luz láser a través de los electrodos y pudieron obtener imágenes directamente de la actividad de las células cerebrales individuales a 50 y 250 micrómetros por debajo de la superficie del cerebro. Al obtener datos de grabación e imágenes al mismo tiempo, los investigadores pudieron identificar qué células cerebrales eran responsables de la actividad cerebral total.

"Esta nueva tecnología permite combinar grabaciones a macroescala de la actividad cerebral, como EEG, con técnicas de imágenes celulares microscópicas que pueden resolver la actividad detallada de las células cerebrales individuales, "dijo Komiyama.

"Este trabajo abre nuevas oportunidades para utilizar imágenes ópticas para detectar qué neuronas son la fuente de la actividad que estamos midiendo. Esto no ha sido posible con los electrodos anteriores. Ahora tenemos una nueva tecnología que nos permite registrar y obtener imágenes del cerebro de formas que antes no podíamos, "dijo Kuzum.

Los siguientes pasos del equipo incluyen hacer los electrodos más pequeños e incorporarlos en matrices de electrodos de alta densidad.