Basse impédance, réseau de microélectrodes en graphène transparent. L'encart est une image microscopique du réseau 4 x 4. Crédit :Yichen Lu/ Matériaux fonctionnels avancés
Les électrodes en graphène pourraient permettre une imagerie de meilleure qualité de l'activité des cellules cérébrales grâce à de nouvelles recherches menées par une équipe d'ingénieurs et de neuroscientifiques de l'Université de Californie à San Diego.
Les chercheurs ont développé une technique, utilisant des nanoparticules de platine, réduire de 100 fois l'impédance des électrodes de graphène tout en les gardant transparentes. Dans des tests sur des souris transgéniques, les électrodes de graphène à faible impédance ont pu enregistrer et imager l'activité neuronale, tels que les pointes d'ions calcium, à la fois au niveau macroscopique et au niveau cellulaire unique. Cette avancée rapproche les électrodes en graphène de leur adaptation aux technologies d'imagerie cérébrale de nouvelle génération et à diverses applications neuroscientifiques et médicales de base.
Au cours des cinq dernières années, les chercheurs ont exploré des électrodes de graphène pour une utilisation dans des implants neuronaux qui peuvent être placés directement sur la surface du cerveau pour enregistrer l'activité neuronale. Elles présentent plusieurs avantages par rapport aux électrodes métalliques traditionnelles utilisées dans les implants neuronaux d'aujourd'hui. Ils sont plus fins et flexibles, afin qu'ils puissent mieux se conformer au tissu cérébral. Ils sont également transparents, ce qui permet à la fois d'enregistrer et de voir l'activité des neurones directement sous les électrodes qui seraient autrement bloqués par des matériaux métalliques opaques.
Cependant, les électrodes de graphène souffrent d'une impédance élevée, ce qui signifie que le courant électrique a du mal à traverser le matériau. Cela entrave la communication entre le cerveau et les appareils d'enregistrement. Les lectures sont donc bruyantes. Et bien qu'il existe diverses techniques pour réduire l'impédance du graphène, ils ruinent la transparence du matériau.
Dans une nouvelle étude, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de l'UC San Diego a développé une technique pour concevoir des électrodes de graphène qui sont à la fois transparentes et 100 fois plus faibles en impédance. Duygu Kuzoum, professeur de génie électrique et informatique à la UC San Diego Jacobs School of Engineering, dirigé les travaux. Son équipe a développé la basse impédance, réseaux d'électrodes en graphène transparent. Ils ont collaboré avec Takaki Komiyama, professeur de neurobiologie et de neurosciences à la faculté de médecine et à la division des sciences biologiques de l'UC San Diego, dont l'équipe a réalisé des études d'imagerie cérébrale avec ces électrodes chez des souris transgéniques. L'ouvrage a été publié récemment dans Matériaux fonctionnels avancés .
"Cette technique est la première à surmonter le problème d'impédance électrochimique du graphène sans sacrifier sa transparence, " dit Kuzum. " En abaissant l'impédance, nous pouvons réduire les dimensions des électrodes jusqu'à la taille d'une seule cellule et enregistrer l'activité neuronale avec une résolution de cellule unique."
Imagerie in vivo des pointes de calcium. Gauche :Réseau d'électrodes en graphène placé à la surface du cortex. Au centre :Image au microscope à deux photons (zoom sur quatre électrodes A, B, C et D) des corps cellulaires situés à 250 micromètres sous la surface corticale. À droite :Image de cellules individuelles directement sous l'électrode B. Crédit :Yichen Lu/ Matériaux fonctionnels avancés
Abaissement de l'impédance
Un autre aspect important de ce travail est qu'il est le premier à découvrir la racine de la haute impédance du graphène, une propriété fondamentale appelée capacité quantique. C'est essentiellement une limite sur le nombre de "sièges ouverts" que le graphène doit stocker des électrons. Et avec un nombre limité de sièges dispersés dans tout le matériel, les électrons ont moins de chemins à parcourir.
Trouver une solution de contournement à cette limite était la clé pour réduire l'impédance. L'équipe de Kuzum a découvert qu'en déposant des nanoparticules de platine sur la surface du graphène, ils ont créé un autre ensemble de chemins pour canaliser le flux d'électrons.
« Nous avons choisi le platine parce que c'est un matériau d'électrode bien établi. Il est utilisé depuis des décennies en raison de sa faible impédance et de sa biocompatibilité. Et il peut être facilement déposé sur du graphène à faible coût, " a déclaré le premier auteur Yichen Lu, un doctorat en génie électrique. étudiant dans le laboratoire de Kuzum à l'UC San Diego.
Les chercheurs ont également déterminé une quantité de nanoparticules de platine juste suffisante pour réduire l'impédance tout en maintenant une transparence élevée. Avec leur méthode, les électrodes ont conservé environ 70 pour cent de leur transparence d'origine, ce que Kuzum note est encore assez bon pour obtenir des lectures de haute qualité en utilisant l'imagerie optique.
Enregistrement de l'activité des cellules cérébrales chez la souris
L'équipe de Kuzum a collaboré avec des neuroscientifiques du laboratoire de Komiyama pour tester leurs électrodes sur des souris transgéniques. Les chercheurs ont placé un réseau d'électrodes à la surface du cortex. Ils ont pu simultanément enregistrer et imager l'activité des ions calcium dans le cerveau.
Dans leurs expériences, ils ont enregistré l'activité cérébrale totale de la surface du cortex. À la fois, les chercheurs ont utilisé un microscope à deux photons pour faire passer la lumière laser à travers les électrodes et ont pu directement imager l'activité de cellules cérébrales individuelles à 50 et 250 micromètres sous la surface du cerveau. En obtenant à la fois des données d'enregistrement et d'imagerie, les chercheurs ont pu identifier quelles cellules cérébrales étaient responsables de l'activité cérébrale totale.
« Cette nouvelle technologie permet de combiner des enregistrements macroscopiques de l'activité cérébrale, comme l'EEG, avec des techniques d'imagerie cellulaire microscopique qui peuvent résoudre l'activité détaillée des cellules cérébrales individuelles, " dit Komiyama.
"Ce travail ouvre de nouvelles opportunités d'utiliser l'imagerie optique pour détecter quels neurones sont à l'origine de l'activité que nous mesurons. Cela n'était pas possible avec les électrodes précédentes. Nous avons maintenant une nouvelle technologie qui nous permet d'enregistrer et d'imager le cerveau d'une manière que nous ne pouvions pas avant, " a déclaré Kuzoum.
Les prochaines étapes de l'équipe consistent à réduire la taille des électrodes et à les incorporer dans des réseaux d'électrodes à haute densité.
