Сенсоры из графена толщиной в атом позволят получить беспрецедентные данные о структуре и функциях мозга

Понимание анатомической структуры и функций мозга — давняя цель нейронауки и один из приоритетов инициативы BRAIN президента Обамы. Электрический мониторинг и стимуляция нейронной сигнализации — основной метод изучения работы мозга, в то время как новые оптические техники, использующие фотоны вместо электронов, открывают возможности для визуализации структуры нейронных сетей. Электрические и оптические методы предлагают различные и взаимодополняющие преимущества, и их совместное использование могло бы дать огромные преимущества для изучения мозга с высоким разрешением. Однако совместить эти технологии сложно, поскольку обычные металлические электроды слишком толстые (>500 нм) и непрозрачны для света, что делает их несовместимыми со многими оптическими подходами.

Чтобы помочь преодолеть эти трудности, DARPA создало прототип инструмента, демонстрирующего гораздо меньшие, прозрачные контакты, которые могут одновременно измерять и стимулировать нейронную ткань с помощью электрических и оптических методов. Исследователи из Университета Висконсина в Мэдисоне разработали эту технологию при поддержке программы DARPA Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET). Она подробно описана в статье в Nature Communications.

Новое устройство использует графен, недавно открытую форму углерода, на гибкой пластиковой подложке, которая повторяет форму ткани. Графеновые сенсоры электропроводны, но имеют толщину всего 4 атома — менее 1 нанометра, что в сотни раз тоньше современных контактов. Их экстремальная тонкость позволяет пропускать почти весь свет в широком диапазоне длин волн. Более того, графен нетоксичен для биологических систем, в отличие от предыдущих исследований прозрачных электрических контактов, которые были гораздо толще, жестче, сложны в изготовлении и полагались на потенциально токсичные металлические сплавы.

Демонстрация технологии опирается на три передовые области исследований: графен (Нобелевская премия по физике 2010 года), флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения (Нобелевская премия по химии 2014 года) и оптогенетика, которая включает генетическую модификацию клеток для создания специфических светочувствительных белков.

Программа RE-NET нацелена на разработку новых инструментов для понимания и преодоления механизмов отказа нейронных интерфейсов. DARPA заинтересовано в продвижении нейротехнологий следующего поколения для раскрытия взаимосвязи между структурой и функцией нейронных сетей. RE-NET и последующие программы DARPA в этой области планируют использовать этот новый инструмент для одновременного измерения функции, физического движения и поведения нейронов у свободно движущихся объектов. Эта технология также позволяет модулировать нейронную функцию, применяя запрограммированные импульсы электричества или света для временной активации нейронов. Таким образом, она может не только обеспечить лучшее наблюдение за естественной функциональностью, но и, благодаря тщательной модуляции активности цепей, позволить исследовать причинно-следственные связи между нейронными сигналами и функциями мозга.