研究人员开发了一种使用铂纳米粒子的技术，可以将石墨烯电极的阻抗降低100倍，同时保持其透明。在对转基因小鼠的测试中，低阻抗石墨烯电极能够记录和成像神经元活动，如钙离子峰值，在宏观尺度和单细胞水平上。这一进展使石墨烯电极更接近于应用于下一代大脑成像技术以及各种基础神经科学和医学应用。
在过去的五年里，研究人员一直在探索石墨烯电极用于神经植入，这种电极可以直接放置在大脑表面，记录神经元活动。与目前用于神经植入的传统金属电极相比，它们有几个优势。它们更薄、更柔韧，因此能更好地适应脑组织。它们也是透明的，这使得记录和观察电极正下方神经元的活动成为可能，否则会被不透明的金属材料阻挡。
然而，石墨烯电极具有高阻抗，这意味着电流难以通过材料。这阻碍了大脑和记录设备之间的交流。因此，读数很嘈杂。虽然有各种各样的技术来降低石墨烯的阻抗，但它们破坏了材料的透明度。
Duygu Kuzum是加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院的电子和计算机工程教授，他领导了一个研究团队，他们开发了一种技术，可以设计出透明且阻抗低100倍的石墨烯电极。该团队开发了低阻抗、透明的石墨烯电极阵列。他们与加州大学圣地亚哥分校医学院和生物科学部的神经生物学和神经科学教授Takaki Komiyama合作，他们的团队用这些电极在转基因老鼠身上进行了脑成像研究。Kuzum说:“这项技术首次克服了石墨烯的电化学阻抗问题，同时又不牺牲其透明度。”“通过降低阻抗，我们可以将电极尺寸缩小到单个细胞大小，并以单个细胞的分辨率记录神经活动。”
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降低阻抗
这项工作的另一个重要方面是，它首次揭示了石墨烯高阻抗的根源——一种被称为量子电容的基本特性。它本质上是对石墨烯存储电子的“开放座位”的限制。由于分散在材料中的座位数量有限，电子可以通过的路径更少。
找到这个极限的解决方案是降低阻抗的关键。Kuzum的团队发现，通过将铂纳米颗粒沉积在石墨烯表面，他们创造了一套替代路径来引导电子流。“我们选择铂，因为它是一种成熟的电极材料。由于其低阻抗和生物相容性，它已经被使用了几十年。而且它可以很容易地以低成本沉积在石墨烯上，”第一作者Lu ychen说，他是加州大学圣地亚哥分校Kuzum实验室的电气工程博士生。
研究人员还确定了铂纳米粒子的数量，刚好足够在保持高透明度的同时降低阻抗。用他们的方法，电极保留了大约70%的原始透明度，库祖姆指出，这仍然足以使用光学成像获得高质量的读数。
Kuzum的团队与小宫山实验室的神经科学家合作，在转基因老鼠身上测试他们的电极。研究人员在皮质表面放置了电极阵列。他们能够同时记录和成像大脑中的钙离子活动。在他们的实验中，他们从大脑皮层表面记录了整个大脑活动。与此同时，研究人员使用双光子显微镜将激光照射到电极上，并能够直接成像大脑表面以下50和250微米处单个脑细胞的活动。通过同时获取记录和成像数据，研究人员能够确定哪些脑细胞负责整个大脑活动。小宫山英树说:“这项新技术使得将宏观的大脑活动记录(如脑电图)与能够解析单个脑细胞详细活动的微观细胞成像技术相结合成为可能。”
“这项工作为使用光学成像来检测哪些神经元是我们正在测量的活动的来源开辟了新的机会。这在以前的电极中是不可能实现的。现在我们有了一项新技术，能够以我们以前无法做到的方式记录和成像大脑。”库祖姆说道。
来源:加州大学圣地亚哥分校
