Pesquisadores da Escola de Medicina Perelman e da Escola de Engenharia da Universidade da Pensilvânia e do Hospital Infantil da Filadélfia usaram o grafeno - uma forma bidimensional de carbono com apenas um átomo de espessura - para fabricar um novo tipo de microeletrodo que resolve um grande problema para investigadores que procuram compreender os intrincados circuitos do cérebro.

Determinar os detalhes de como os circuitos neurais individuais operam na epilepsia e outros distúrbios neurológicos requer a observação em tempo real de suas localizações, padrões de disparo, e outros fatores, usando imagens ópticas de alta resolução e registro eletrofisiológico. Mas os microeletrodos metálicos tradicionais são opacos e bloqueiam a visão do médico e criam sombras que podem obscurecer detalhes importantes. No passado, pesquisadores poderiam obter imagens ópticas de alta resolução ou dados eletrofisiológicos, mas não os dois ao mesmo tempo.

O Centro de NeuroEngenharia e Terapêutica (CNT), sob a liderança do autor sênior Brian Litt, PhD, resolveu esse problema com o desenvolvimento de um microeletrodo de grafeno completamente transparente que permite imagens ópticas simultâneas e gravações eletrofisiológicas de circuitos neurais. O trabalho deles foi publicado esta semana em Nature Communications .

"Existem tecnologias que podem fornecer uma resolução espacial muito alta, como a imagem de cálcio; existem tecnologias que podem fornecer uma alta resolução temporal, como eletrofisiologia, mas não há uma tecnologia única que possa fornecer ambos, "diz o coautor do estudo Duygu Kuzum, PhD. Junto com o co-autor Hajime Takano, PhD, e seus colegas, Kuzum observa que a equipe desenvolveu uma tecnologia de neuroeletrodo baseada em grafeno para alcançar alta resolução espacial e temporal simultaneamente.

Além dos benefícios óbvios de sua transparência, o grafeno oferece outras vantagens:"Ele pode atuar como um anticorrosivo para superfícies de metal para eliminar todas as reações eletroquímicas corrosivas nos tecidos, "Kuzum diz." É também inerentemente um material de baixo ruído, o que é importante no registro neural porque tentamos obter uma alta relação sinal / ruído. "

Embora esforços anteriores tenham sido feitos para construir eletrodos transparentes usando óxido de índio e estanho, eles são caros e altamente frágeis, tornando essa substância inadequada para matrizes de microeletrodos. "Outra vantagem do grafeno é que ele é flexível, então podemos fazer muito fino, eletrodos flexíveis que podem abraçar o tecido neural, "Notas de Kuzum.

No estudo, Litt, Kuzum, e seus colegas realizaram imagens de cálcio de fatias do hipocampo em um modelo de rato com microscopia confocal e de dois fótons, enquanto também realizam gravações eletrofisiológicas. Em um nível de célula individual, eles foram capazes de observar detalhes temporais de convulsões e atividade semelhante a convulsões com resolução muito alta. A equipe também observa que as técnicas de eletrodo único usadas na Nature Communications estudo poderia ser facilmente adaptado para estudar outras áreas maiores do cérebro com matrizes mais expansivas.

Os microeletrodos de grafeno desenvolvidos podem ter uma aplicação mais ampla. “Eles podem ser usados ​​em qualquer aplicação que necessitemos para registrar sinais elétricos, como marca-passos cardíacos ou estimuladores do sistema nervoso periférico, "diz Kuzum. Por causa das propriedades não magnéticas e anticorrosivas do grafeno, essas sondas "também podem ser uma tecnologia muito promissora para aumentar a longevidade dos implantes neurais." As características não magnéticas do grafeno também permitem segurança, leitura de ressonância magnética sem artefato, ao contrário dos implantes metálicos.

Kuzum enfatiza que a tecnologia de microeletrodo de grafeno transparente foi alcançada através de um esforço interdisciplinar da CNT e dos departamentos de Neurociência, Pediatria, e Ciência de Materiais na Penn e a divisão de Neurologia no CHOP.

O laboratório de Ertugrul Cubukcu no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais ajudou com a tecnologia de processamento de grafeno usada na fabricação de eletrodos neurais transparentes flexíveis, bem como realizar caracterização ótica e de materiais em colaboração com Euijae Shim e Jason Reed. Os experimentos de imagem e gravação simultâneos envolvendo imagens de cálcio com microscopia confocal e de dois fótons foram realizados no Laboratório de Douglas Coulter no CHOP com Hajime Takano. Os experimentos de gravação in vivo foram realizados em colaboração com Halvor Juul no Laboratório de Marc Dichter. Os experimentos de resposta de estimulação somatassensorial foram realizados em colaboração com Timothy Lucas's Lab, Julius De Vries, e Andrew Richardson.

À medida que a tecnologia é desenvolvida e usada, Kuzum e seus colegas esperam obter maiores insights sobre como a fisiologia do cérebro pode dar errado. "Ele pode fornecer informações sobre circuitos neurais, que não estava disponível antes, porque não tínhamos a tecnologia para sondá-los, ", diz ela. Essa informação pode incluir a identificação de formas de onda marcadoras específicas da atividade elétrica do cérebro que podem ser mapeadas espacial e temporalmente para circuitos neurais individuais." Também podemos olhar para outros distúrbios neurológicos e tentar entender a correlação entre diferentes circuitos neurais usando esta técnica, " ela diz.