Des chercheurs de la Perelman School of Medicine and School of Engineering de l'Université de Pennsylvanie et de l'Hôpital pour enfants de Philadelphie ont utilisé du graphène - une forme bidimensionnelle de carbone d'une épaisseur d'un atome seulement - pour fabriquer un nouveau type de microélectrode qui résout un problème majeur. pour les chercheurs qui cherchent à comprendre les circuits complexes du cerveau.

Déterminer les détails du fonctionnement des circuits neuronaux individuels dans l'épilepsie et d'autres troubles neurologiques nécessite une observation en temps réel de leur emplacement, modèles de tir, et d'autres facteurs, utilisant l'imagerie optique à haute résolution et l'enregistrement électrophysiologique. Mais les microélectrodes métalliques traditionnelles sont opaques et bloquent la vue du clinicien et créent des ombres qui peuvent masquer des détails importants. Autrefois, les chercheurs pouvaient obtenir soit des images optiques à haute résolution, soit des données électrophysiologiques, mais pas les deux à la fois.

Le Centre de Neuro-ingénierie et de Thérapeutique (CNT), sous la direction de l'auteur principal Brian Litt, Doctorat, a résolu ce problème avec le développement d'une microélectrode de graphène complètement transparente qui permet l'imagerie optique et les enregistrements électrophysiologiques simultanés des circuits neuronaux. Leurs travaux ont été publiés cette semaine dans Communication Nature .

« Il existe des technologies qui peuvent donner une très haute résolution spatiale comme l'imagerie calcique; il existe des technologies qui peuvent donner une haute résolution temporelle, comme l'électrophysiologie, mais il n'y a pas de technologie unique qui puisse fournir les deux, " déclare Duygu Kuzum, co-premier auteur de l'étude, Doctorat. Avec le co-auteur Hajime Takano, Doctorat, et leurs collègues, Kuzum note que l'équipe a développé une technologie de neuroélectrodes basée sur le graphène pour atteindre simultanément une résolution spatiale et temporelle élevée.

Outre les avantages évidents de sa transparence, le graphène offre d'autres avantages :« Il peut agir comme anti-corrosif des surfaces métalliques pour éliminer toutes les réactions électrochimiques corrosives dans les tissus, " Kuzum dit. " C'est aussi intrinsèquement un matériau à faible bruit, ce qui est important dans l'enregistrement neuronal car nous essayons d'obtenir un rapport signal/bruit élevé."

Alors que des efforts antérieurs ont été faits pour construire des électrodes transparentes en utilisant de l'oxyde d'indium et d'étain, ils sont chers et très cassants, rendant cette substance inadaptée aux réseaux de microélectrodes. "Un autre avantage du graphène est qu'il est flexible, donc nous pouvons faire très mince, électrodes flexibles qui peuvent épouser le tissu neural, " note Kuzum.

Dans l'étude, Litt, Kuzoum, et leurs collègues ont réalisé une imagerie calcique de tranches d'hippocampe dans un modèle de rat avec une microscopie confocale et à deux photons, tout en réalisant des enregistrements électrophysiologiques. Au niveau de la cellule individuelle, ils ont pu observer les détails temporels des crises et de l'activité semblable à une crise avec une très haute résolution. L'équipe note également que les techniques à électrode unique utilisées dans le Communication Nature L'étude pourrait être facilement adaptée pour étudier d'autres zones plus grandes du cerveau avec des réseaux plus étendus.

Les microélectrodes de graphène développées pourraient avoir une application plus large. "Ils peuvent être utilisés dans n'importe quelle application dont nous avons besoin pour enregistrer des signaux électriques, tels que les stimulateurs cardiaques ou les stimulateurs du système nerveux périphérique, " dit Kuzum. En raison des propriétés non magnétiques et anticorrosives du graphène, ces sondes "peuvent également être une technologie très prometteuse pour augmenter la longévité des implants neuraux". Les caractéristiques non magnétiques du graphène permettent également une sécurité, lecture IRM sans artefact, contrairement aux implants métalliques.

Kuzum souligne que la technologie des microélectrodes en graphène transparent a été réalisée grâce à un effort interdisciplinaire du CNT et des départements de neurosciences, Pédiatrie, et la science des matériaux à Penn et la division de neurologie à CHOP.

Le laboratoire d'Ertugrul Cubukcu au département des sciences et de l'ingénierie des matériaux a contribué à la technologie de traitement du graphène utilisée dans la fabrication d'électrodes neurales transparentes flexibles, ainsi que la caractérisation optique et des matériaux en collaboration avec Euijae Shim et Jason Reed. Les expériences d'imagerie et d'enregistrement simultanées impliquant l'imagerie du calcium avec la microscopie confocale et à deux photons ont été réalisées au laboratoire de Douglas Coulter au CHOP avec Hajime Takano. Des expériences d'enregistrement in vivo ont été réalisées en collaboration avec Halvor Juul dans le laboratoire de Marc Dichter. Des expériences de réponse à la stimulation somatasensorielle ont été réalisées en collaboration avec le laboratoire de Timothy Lucas, Jules De Vries, et Andrew Richardson.

Au fur et à mesure que la technologie est développée et utilisée, Kuzum et ses collègues s'attendent à mieux comprendre comment la physiologie du cerveau peut mal tourner. "Il peut fournir des informations sur les circuits neuronaux, qui n'était pas disponible avant, parce que nous n'avions pas la technologie pour les sonder, " dit-elle. Ces informations peuvent inclure l'identification de formes d'onde de marqueur spécifiques de l'activité électrique cérébrale qui peuvent être mappées spatialement et temporellement sur des circuits neuronaux individuels. " Nous pouvons également examiner d'autres troubles neurologiques et essayer de comprendre la corrélation entre les différents circuits neuronaux en utilisant cette technique, " elle dit.