新的石墨烯传感器可以向大脑结构提供前所未有的洞察力

时间：2021-05-30 18:52:03 来源：

常规金属电极技术（左上）是不透明的，潜在的神经组织的视图。DARPA的RE-NET程序开发了新的石墨烯传感器，其是导电的，但仅比电流触点（顶部中间）更薄的4个原子数量厚度。它们的极端薄度几乎所有光都可以穿过各种波长。放置在柔性塑料背衬，符合组织（底部）的形状，传感器是概念验证工具的一部分，其示出了可以使用电气和光学方法测量和刺激神经组织的更小的透明触点同时（右上角）。

由DARPA的重新净计划资助的新纳米技术由麦迪逊威斯康星大学的研究人员开发，可以同时使用光学和电子方法监测和刺激神经元。

了解大脑的解剖结构和功能是神经科学的长期目标，以及奥巴马总统的大脑倡议的首要任务。神经元信号传导的电监测和刺激是用于研究脑功能的主干技术，而新兴的光学技术 - 使用光子代替电子是用于可视化神经网络结构和探索脑功能的新机会。电气和光学技术提供了不同的和互补优势，如果一起使用，可以为高分辨率进行高度研究大脑提供深刻的好处。然而，组合这些技术是具有挑战性的，因为传统的金属电极技术太厚（> 500nm），以透明地透明，使它们与许多光学方法不相容。

为了帮助克服这些挑战，DARPA创造了一种概念证据，证明了比同时使用电气和光学方法测量和刺激神经组织的更小的透明触点。麦迪逊威斯康星大学的研究人员开发了新技术，支持DARPA的神经界面技术（重新净）。它在自然通信中详细描述了。

“该技术展示了可视化和量化大脑中神经网络活动的潜在突破性能力，”Doug Weber，Doug Weber，Doug Peber，Dega Program Manager。“具有直接可视化和神经网络解剖学的直接可视化和调制同时测量电活动的能力可以在大脑结构和功能之间的关系中提供前所未有的洞察力 - 以及重要的是，这些关系如何随着时间的推移而发展或被伤害扰动或扰乱疾病。”

新设备在柔性塑料背衬上使用石墨烯，最近被发现的碳形式，符合组织的形状。石墨烯传感器是导电的，但仅是4个原子厚的小于1纳米，比电流触点薄的数百次。它的极端薄度几乎所有光都可以穿过各种波长。此外，石墨烯对生物系统无毒，对先前的研究改进了透明电触点，这些电触点更厚，刚性，难以制造和依赖于潜在的毒性金属合金。

该技术示范借鉴了三个尖端的研究领域：石墨烯，赢得了研究人员2010年诺贝尔物理学奖;超分辨荧光显微镜，其赢得了研究人员2014年诺贝尔化学奖;和邻近遗传学，涉及基因改性细胞以产生特异性的光反应性蛋白质。

重新净旨在开发新的工具和技术，以了解和克服神经接口的失败机制。DARPA有兴趣推进下一代神经外技术，以揭示神经网络结构与功能之间的关系。在此领域的重新净和随后的DARPA计划，计划通过同时测量自由移动主题的神经元的功能，物理运动和行为来利用这一新工具。该技术通过应用程序的电力或光临时激活神经元来提供调制神经功能的能力。因此，通过仔细调制电路活动来探讨神经信号与大脑功能之间的因果关系探索，它不仅可以更好地观察本机功能，而且还可以提供更好的目的。

“历史上，研究人员仅限于相关的研究表明，但不证明神经活动和行为之间的因果关系，”韦伯说。“现在，我们有机会直接看到，衡量和刺激神经电路，探索这些关系和开发和验证大脑电路功能的模型。这种知识可以极大地帮助我们理解和治疗脑损伤和疾病。“

重新网是DARPA中更广泛的计划组合的一部分，支持奥巴马总统的脑倡议。这些计划包括持续努力，旨在推进对大脑动力学的基础知识，以推动应用程序（彻底改变假肢，修复的编码内存集成神经装置，重组和可塑性，以加速伤害回收，实现应力阻力），制造神经科学应用和治疗的制造传感系统（手提式研究和触摸界面，电阶层）和分析大数据集（心理信号的检测和计算分析）。

出版物：Dong-Wook Park等，等，“基于石墨烯基碳层电极阵列技术，用于神经成像和致光学应用，”自然通信5，物品编号：5258; DOI：10.1038 / ncomms6258

图像：达尔瓜

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