Los electrodos de grafeno podrían permitir obtener imágenes de mayor calidad de la actividad de las células cerebrales gracias a una nueva investigación realizada por un equipo de ingenieros y neurocientíficos de la Universidad de California en San Diego.
Los investigadores desarrollaron una técnica, usando nanopartículas de platino, para reducir la impedancia de los electrodos de grafeno en 100 veces mientras los mantenían transparentes. En las pruebas en ratones transgénicos, los electrodos de grafeno de baja impedancia pudieron registrar e imaginar la actividad neuronal, comopicos de iones de calcio, tanto a nivel de macroescala como de células individuales. El avance lleva a los electrodos de grafeno un paso más cerca de adaptarse a las tecnologías de imágenes cerebrales de próxima generación y diversas aplicaciones básicas de neurociencia y medicina.
En los últimos cinco años, los investigadores han estado explorando electrodos de grafeno para su uso en implantes neuronales que se pueden colocar directamente en la superficie del cerebro para registrar la actividad neuronal. Tienen varias ventajas sobre los electrodos metálicos tradicionales utilizados en los implantes neuronales de hoy en día.Son más delgados y flexibles, por lo que pueden adaptarse mejor al tejido cerebral. También son transparentes, lo que hace posible registrar y ver la actividad de las neuronas directamente debajo de los electrodos que de lo contrario estarían bloqueadas por materiales metálicos opacos.
Sin embargo, los electrodos de grafeno sufren de alta impedancia, lo que significa que la corriente eléctrica tiene dificultades para fluir a través del material. Esto dificulta la comunicación entre el cerebro y los dispositivos de grabación. Como resultado, las lecturas son ruidosas. Y aunque hay varias técnicas para reducir la impedancia degrafeno, arruinan la transparencia del material.
En un nuevo estudio, un equipo interdisciplinario de investigadores de la UC San Diego ha desarrollado una técnica para diseñar electrodos de grafeno que son transparentes y 100 veces más bajos en impedancia. Duygu Kuzum, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la UC San DiegoJacobs School of Engineering dirigió el trabajo. Su equipo desarrolló los conjuntos de electrodos de grafeno transparentes de baja impedancia. Colaboraron con Takaki Komiyama, profesor de neurobiología y neurociencias en la Facultad de Medicina de UC San Diego y la División de Ciencias Biológicas, cuyo equiporealizó estudios de imágenes cerebrales con estos electrodos en ratones transgénicos. El trabajo fue publicado recientemente en Materiales funcionales avanzados .
"Esta técnica es la primera en superar el problema de la impedancia electroquímica del grafeno sin sacrificar su transparencia", dijo Kuzum. "Al reducir la impedancia, podemos reducir las dimensiones de los electrodos al tamaño de una sola celda y registrar la actividad neuronal con una resolución de una sola celda".
baja impedancia
Otro aspecto importante de este trabajo es que es el primero en descubrir la raíz de la alta impedancia del grafeno, una propiedad fundamental llamada capacitancia cuántica. Es esencialmente un límite en la cantidad de "asientos abiertos" que tiene el grafeno para almacenar electrones. YCon un número limitado de asientos dispersos por todo el material, los electrones tienen menos caminos para recorrer.
Encontrar una solución alternativa a este límite fue clave para reducir la impedancia. El equipo de Kuzum descubrió que al depositar nanopartículas de platino en la superficie del grafeno, crearon un conjunto alternativo de rutas para canalizar el flujo de electrones.
"Elegimos platino porque es un material de electrodo bien establecido. Se ha utilizado durante décadas debido a su baja impedancia y biocompatibilidad. Y se puede depositar fácilmente en el grafeno a bajo costo", dijo el primer autor Yichen Lu, un electricistaestudiante de doctorado en ingeniería en el laboratorio de Kuzum en UC San Diego.
Los investigadores también determinaron una cantidad de nanopartículas de platino que era suficiente para reducir la impedancia mientras se mantenía la transparencia alta. Con su método, los electrodos retuvieron aproximadamente el 70 por ciento de su transparencia original, lo que Kuzum señala que es lo suficientemente bueno como para obtener lecturas de alta calidad usandoimagen óptica.
Registro de actividad de células cerebrales en ratones
El equipo de Kuzum colaboró con neurocientíficos en el laboratorio de Komiyama para probar sus electrodos en ratones transgénicos. Los investigadores colocaron una matriz de electrodos en la superficie de la corteza. Pudieron registrar e imaginar simultáneamente la actividad del ion calcio en el cerebro.
En sus experimentos, registraron la actividad cerebral total desde la superficie de la corteza. Al mismo tiempo, los investigadores utilizaron un microscopio de dos fotones para hacer brillar la luz láser a través de los electrodos y pudieron visualizar directamente la actividad de las células cerebrales individualesa 50 y 250 micrómetros por debajo de la superficie del cerebro. Al obtener datos de grabación e imagen al mismo tiempo, los investigadores pudieron identificar qué células cerebrales eran responsables de la actividad cerebral total.
"Esta nueva tecnología hace posible combinar grabaciones a escala macro de la actividad cerebral, como el EEG, con técnicas microscópicas de imágenes celulares que pueden resolver la actividad detallada de las células cerebrales individuales", dijo Komiyama.
"Este trabajo abre nuevas oportunidades para usar imágenes ópticas para detectar qué neuronas son la fuente de la actividad que estamos midiendo. Esto no ha sido posible con electrodos anteriores. Ahora tenemos una nueva tecnología que nos permite grabar e imágenesel cerebro en formas que no podíamos antes ", dijo Kuzum.
Los siguientes pasos del equipo incluyen hacer que los electrodos sean más pequeños e incorporarlos en conjuntos de electrodos de alta densidad.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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