透明的,单原子厚度,碳电极是一个功能强大的工具为研究癫痫、其他脑部疾病,研究发现
佩雷尔曼医学院的研究人员和宾夕法尼亚大学的工程学院和费城儿童医院的使用石墨烯-碳只有一个原子厚度的二维形式——制造一种新型的微电极,能够解决一个大问题对于调查人员想了解大脑的复杂电路。
压制个人神经回路如何运作的细节在癫痫和其他神经系统疾病需要实时观测的位置,发射模式,和其他因素,利用高分辨率的光学成像和电生理记录。但是传统金属微电极是不透明和块临床医生的观点并创建阴影,掩盖了重要细节。在过去,研究人员可以获得高分辨率的光学图像或电生理数据,但不是同时。
神经工程学与治疗中心(问)领导下的资深作者布莱恩·Litt博士已经解决了这个问题的发展一个完全透明的石墨烯微电极,允许同时光学成像和电生理学的神经回路的录音。他们的工作发表在本周自然通讯。
“有技术,可以提供非常高的空间分辨率如钙成像;有技术,能给高时间分辨率,如电生理学,但没有单一的技术,可以提供,”说研究co-first-author Duygu Kuzum,博士学位。随着作者Hajime Takano博士以及他们的同事,Kuzum指出,团队开发了一种neuroelectrode技术基于石墨烯同时实现高空间和时间分辨率。
除了明显的好处的透明度,石墨烯提供其他优点:“它可以作为金属表面的防腐消除所有腐蚀电化学反应组织,“Kuzum说。“本质上也是一个低噪声材料,这在神经记录很重要,因为我们试图得到一个高的信噪比。”
虽然以前一直在努力构建使用氧化铟锡透明电极,它们是昂贵的和高度脆弱,使物质并不适合微电极阵列。“石墨烯的另一个优点是,它的灵活,所以我们可以做出非常薄,灵活的电极,可以拥抱的神经组织,“Kuzum笔记。
在这项研究中,Litt Kuzum,和他们的同事进行钙成像在一只老鼠的海马切片模型共焦和双光子显微镜,同时进行电生理记录。在单个细胞水平,他们能够观察颞癫痫的细节和高分辨率seizure-like活动。该小组还指出,单电极技术中使用自然通讯学习可以很容易地适应学习其他更大的大脑区域与更广阔的数组。
钙成像的神经元在大鼠海马切片通过透明石墨烯电极。黑色广场中心是透明石墨烯电极和神经元所示绿色。黄色的痕迹显示了一个代表性的例子与石墨烯的电生理记录电极。信贷:Hajime Takano & Duygu Kuzum
开发的石墨烯微电极可以更广泛的应用。“他们可以用于任何应用程序,我们需要记录电信号,如心脏起搏器或周围神经系统刺激器,“Kuzum说。因为石墨烯的非磁性和防腐性能,这些探测器”也可以是一个非常有前途的技术来增加神经移植体的寿命。“石墨烯的非磁性特性还允许安全,artifact-free MRI阅读,与金属植入物。
Kuzum强调透明石墨烯微电极技术是通过问一个跨学科的努力和神经科学、儿科学、材料科学宾夕法尼亚大学神经学部门公章。
特·Cubukcu的实验室与石墨烯材料科学与工程部门帮助处理技术用于制造柔性透明神经电极,以及执行光学和材料特性与Euijae垫片和杰森·里德。同时成像和记录实验中钙和共焦成像和双光子显微镜是在道格拉斯·库尔特的实验室在砍Hajime Takano。体内实验记录进行合作Juul Halvor马克·狄克特的实验室。Somatasensory刺激响应实验和蒂莫西·卢卡斯的实验室合作完成的,朱利叶斯•德•弗里斯和安德鲁·理查森。
随着技术的进一步发展和应用,Kuzum和她的同事希望获得更深入地了解如何对大脑的生理可能出错。”可以在神经回路提供信息,这不是可用之前,因为我们没有技术调查他们,”她说。这些信息可能包括特定标记的识别波形的脑电活动时空上可以映射到单个神经回路。“我们也可以看看其他神经疾病和尝试理解之间的相关性不同的神经回路使用这种技术,”她说。
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出版
Duygu Kuzum, Hajime Takano, Euijae垫片,杰森·c·里德Halvor Juul安德鲁·g·理查森朱利叶斯•德•弗里斯汉克架子,马克·a·狄克特蒂莫西·h·卢卡斯,道格拉斯·a·库尔特·埃Cubukcu,布莱恩Litt。透明和灵活的低噪声石墨烯电极同步电生理学和神经影像。自然通信、网上发布2014年10月20日。doi: 10.1038 / ncomms6259
