p Eletrodos de grafeno podem permitir imagens de alta qualidade da atividade das células cerebrais graças a uma nova pesquisa feita por uma equipe de engenheiros e neurocientistas da Universidade da Califórnia em San Diego. p Os pesquisadores desenvolveram uma técnica, usando nanopartículas de platina, para diminuir a impedância dos eletrodos de grafeno em 100 vezes, mantendo-os transparentes. Em testes em camundongos transgênicos, os eletrodos de grafeno de baixa impedância foram capazes de registrar e gerar imagens da atividade neuronal, como picos de íons de cálcio, em ambos os níveis macro e de célula única. O avanço traz os eletrodos de grafeno um passo mais perto de serem adaptados às tecnologias de imagem do cérebro de próxima geração e várias neurociências básicas e aplicações médicas.

p Nos últimos cinco anos, pesquisadores têm explorado eletrodos de grafeno para uso em implantes neurais que podem ser colocados diretamente na superfície do cérebro para registrar a atividade neuronal. Eles têm várias vantagens sobre os eletrodos de metal tradicionais usados ​​nos implantes neurais de hoje. Eles são mais finos e flexíveis, para que possam se adaptar melhor ao tecido cerebral. Eles também são transparentes, o que torna possível registrar e ver a atividade dos neurônios diretamente abaixo dos eletrodos que, de outra forma, seriam bloqueados por materiais metálicos opacos.

p Contudo, eletrodos de grafeno sofrem de alta impedância, o que significa que a corrente elétrica tem dificuldade de fluir através do material. Isso dificulta a comunicação entre o cérebro e os dispositivos de gravação. Como resultado, as leituras são ruidosas. E embora existam várias técnicas para reduzir a impedância do grafeno, eles estragam a transparência do material.

p Em um novo estudo, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da UC San Diego desenvolveu uma técnica para projetar eletrodos de grafeno que são transparentes e 100 vezes mais baixos em impedância. Duygu Kuzum, professor de engenharia elétrica e de computação na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs, liderou o trabalho. Sua equipe desenvolveu a baixa impedância, matrizes de eletrodos de grafeno transparente. Eles colaboraram com Takaki Komiyama, professor de neurobiologia e neurociências na Escola de Medicina e Divisão de Ciências Biológicas da UC San Diego, cuja equipe realizou estudos de imagem cerebral com esses eletrodos em camundongos transgênicos. O trabalho foi publicado recentemente em Materiais Funcionais Avançados .

p "Esta técnica é a primeira a superar o problema de impedância eletroquímica do grafeno sem sacrificar sua transparência, "disse Kuzum." Ao diminuir a impedância, podemos reduzir as dimensões do eletrodo para um tamanho de célula única e registrar a atividade neural com resolução de célula única. "

p Diminuindo a impedância

p Outro aspecto importante deste trabalho é que ele é o primeiro a descobrir a raiz da alta impedância do grafeno - uma propriedade fundamental chamada capacitância quântica. É essencialmente um limite de quantas "vagas abertas" o grafeno tem para armazenar elétrons. E com um número limitado de assentos espalhados por todo o material, os elétrons têm menos caminhos para percorrer.

p Encontrar uma solução alternativa para esse limite foi a chave para reduzir a impedância. A equipe de Kuzum descobriu que, ao depositar nanopartículas de platina na superfície do grafeno, eles criaram um conjunto alternativo de caminhos para canalizar o fluxo de elétrons.

p “Escolhemos a platina por ser um eletrodo bem estabelecido. É usado há décadas devido à sua baixa impedância e biocompatibilidade. E pode ser facilmente depositado no grafeno a baixo custo, "disse o primeiro autor Yichen Lu, um Ph.D. em engenharia elétrica. estudante no laboratório de Kuzum na UC San Diego.

p Os pesquisadores também determinaram uma quantidade de nanopartículas de platina que era apenas o suficiente para diminuir a impedância e, ao mesmo tempo, manter a transparência alta. Com seu método, os eletrodos retiveram cerca de 70 por cento de sua transparência original, que Kuzum observa que ainda é bom o suficiente para obter leituras de alta qualidade usando imagens ópticas.

p Registro da atividade das células cerebrais em camundongos

p A equipe de Kuzum colaborou com neurocientistas no laboratório de Komiyama para testar seus eletrodos em ratos transgênicos. Os pesquisadores colocaram um conjunto de eletrodos na superfície do córtex. Eles foram capazes de registrar simultaneamente e criar imagens da atividade do íon cálcio no cérebro.

p Em seus experimentos, eles registraram a atividade cerebral total da superfície do córtex. Ao mesmo tempo, os pesquisadores usaram um microscópio de dois fótons para lançar luz laser através dos eletrodos e foram capazes de obter imagens diretas da atividade de células cerebrais individuais a 50 e 250 micrômetros abaixo da superfície do cérebro. Ao obter os dados de gravação e imagem ao mesmo tempo, os pesquisadores foram capazes de identificar quais células cerebrais eram responsáveis ​​pela atividade cerebral total.

p "Esta nova tecnologia torna possível combinar gravações em macroescala da atividade cerebral, como EEG, com técnicas de imagem celular microscópicas que podem resolver a atividade detalhada de células cerebrais individuais, "disse Komiyama.

p “Este trabalho abre novas oportunidades de uso de imagens ópticas para detectar quais neurônios são a fonte da atividade que estamos medindo. Isso não era possível com os eletrodos anteriores. Agora temos uma nova tecnologia que nos permite registrar e criar imagens do cérebro de maneiras que não podíamos antes, "disse Kuzum.

p Os próximos passos da equipe incluem tornar os eletrodos menores e incorporá-los em matrizes de eletrodos de alta densidade.