As tecnologias convencionais de eletrodos de metal (canto superior esquerdo) são opacas, obstruindo visões de tecido neural subjacente. O programa RE-NET da DARPA desenvolveu novos sensores de grafeno que são eletricamente condutores, mas com apenas 4 átomos de espessura - centenas de vezes mais finos do que os contatos atuais (meio superior). Sua extrema espessura permite que quase toda a luz atravesse uma ampla gama de comprimentos de onda. Colocado em um suporte de plástico flexível que se adapta ao formato do tecido (parte inferior), os sensores são parte de uma ferramenta de prova de conceito que demonstra muito menor, contatos transparentes que podem medir e estimular o tecido neural usando métodos elétricos e ópticos ao mesmo tempo (canto superior direito).
Compreender a estrutura anatômica e a função do cérebro é um objetivo antigo da neurociência e uma das principais prioridades da iniciativa do presidente Obama para o cérebro. O monitoramento elétrico e a estimulação da sinalização neuronal é uma técnica fundamental para estudar a função cerebral, enquanto as técnicas ópticas emergentes - que usam fótons em vez de elétrons - estão abrindo novas oportunidades para visualizar a estrutura da rede neural e explorar as funções cerebrais. As técnicas elétricas e ópticas oferecem vantagens distintas e complementares que, se usado junto, poderia oferecer benefícios profundos para estudar o cérebro em alta resolução. Combinar essas tecnologias é um desafio, Contudo, porque as tecnologias convencionais de eletrodos de metal são muito espessas (> 500 nm) para ser transparente à luz, tornando-os incompatíveis com muitas abordagens ópticas.
Para ajudar a superar esses desafios, A DARPA criou uma ferramenta de prova de conceito que demonstra muito menor, contatos transparentes que podem medir e estimular o tecido neural usando métodos elétricos e ópticos ao mesmo tempo. Pesquisadores da Universidade de Wisconsin em Madison desenvolveram a nova tecnologia com o apoio do programa Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET) da DARPA. É descrito em detalhes em um artigo em Nature Communications .
"Esta tecnologia demonstra capacidades potencialmente revolucionárias para visualizar e quantificar a atividade da rede neural no cérebro, "disse Doug Weber, Gerente do programa DARPA. "A capacidade de medir simultaneamente a atividade elétrica em uma escala grande e rápida com visualização direta e modulação da anatomia da rede neuronal pode fornecer uma visão sem precedentes sobre as relações entre a estrutura e função do cérebro - e mais importante, como essas relações evoluem com o tempo ou são perturbadas por lesões ou doenças. "
O novo dispositivo usa grafeno, uma forma de carbono recentemente descoberta, em um suporte de plástico flexível que se adapta ao formato do tecido. Os sensores de grafeno são eletricamente condutores, mas apenas 4 átomos de espessura - menos de 1 nanômetro e centenas de vezes mais finos do que os contatos atuais. Sua extrema espessura permite que quase toda a luz atravesse uma ampla gama de comprimentos de onda. Além disso, o grafeno não é tóxico para os sistemas biológicos, uma melhoria em relação à pesquisa anterior em contatos elétricos transparentes que são muito mais grossos, rígido, difícil de fabricar e dependente de ligas metálicas potencialmente tóxicas.
A demonstração de tecnologia baseia-se em três campos de pesquisa de ponta:grafeno, que rendeu aos pesquisadores o Prêmio Nobel de Física de 2010; microscopia fluorescente super-resolvida, que rendeu aos pesquisadores o Prêmio Nobel de Química de 2014; e optogenética, que envolve a modificação genética de células para criar proteínas reativas à luz específicas.
RE-NET busca desenvolver novas ferramentas e tecnologias para entender e superar os mecanismos de falha das interfaces neurais. A DARPA está interessada em desenvolver neurotecnologias de próxima geração para revelar a relação entre a estrutura e a função da rede neural. RE-NET, e programas subsequentes da DARPA neste campo, planeja aproveitar esta nova ferramenta medindo simultaneamente a função, movimento físico e comportamento dos neurônios em assuntos que se movem livremente. Esta tecnologia oferece a capacidade de modular a função neural, aplicando pulsos programados de eletricidade ou luz para ativar temporariamente os neurônios. Portanto, ele poderia não apenas fornecer uma melhor observação da funcionalidade nativa, mas também, através da modulação cuidadosa da atividade do circuito, permitem a exploração de relações causais entre os sinais neurais e a função cerebral.
"Historicamente, pesquisadores têm se limitado a estudos correlacionais que sugerem, mas não prova ligações causais entre a atividade neural e o comportamento, "Disse Weber." Agora, temos a oportunidade de ver diretamente, medir e estimular circuitos neurais para explorar essas relações e desenvolver e validar modelos de função do circuito cerebral. Esse conhecimento pode ajudar muito na maneira como entendemos e tratamos doenças e lesões cerebrais. "
