In een recent onderzoek gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, een groep onderzoekers ontwikkelde ultrakleine, transparante grafeenmicro-elektroden met hoge dichtheid voor verbeterde ruimtelijke resolutie in elektrofysiologische opnames van het hersenoppervlak en calciumbeeldvorming, waardoor het decoderen van eencellige en gemiddelde neurale activiteiten van oppervlaktepotentialen mogelijk wordt.
Studeren: Transparante grafeenarrays met hoge dichtheid voor het voorspellen van cellulaire calciumactiviteit op diepte op basis van opnames van oppervlaktepotentiaal. Beeldcredits: Gorodenkoff/Shutterstock.com
Achtergrond
Het onderzoeken van hersenmechanismen op verschillende ruimtelijke en temporele schalen is essentieel voor het begrijpen van de neurale dynamiek, waarvoor hulpmiddelen nodig zijn die verschillende modaliteiten integreren.
Traditionele transparante micro-elektrodetechnologieën worden, ondanks hun vooruitgang, beperkt door de grootte en kanaaldichtheid.
Verder onderzoek is nodig om de integratie van deze technologieën met levend neuraal weefsel te verbeteren, de stabiliteit en biocompatibiliteit op de lange termijn te optimaliseren en de toepassing ervan uit te breiden naar een breder scala aan neurologische onderzoeken en therapeutische interventies.
Over de studie
De onderzoekers ontwikkelden transparante grafeenarrays met hoge dichtheid door een peryleen C (PC) -laag op een siliciumwafel af te zetten met een opofferingslaag van polydimethylglutarimide (PMGI) SF3.
Vervolgens sputterden ze chroom en goud om metaaldraden en contactvlakken te vormen. De eerste grafeenlaag werd overgebracht met behulp van elektrochemische delaminatie en om de draadweerstand te verminderen werd deze ondergedompeld in een salpeterzuur (HNO3)-oplossing.
Na het reinigen werd er een tweede grafeenlaag aangebracht. Ze gebruikten een dubbellaagse fotoresist en etsten het grafeen met zuurstofplasma, gevolgd door reiniging. Om het grafeen tijdens de volgende stappen te beschermen, sputterden ze er een etsstoplaag van siliciumdioxide op.
Nadat ze een andere PC-laag als inkapselingslaag hadden afgezet en van een patroon voorzien, verwijderden ze de siliciumdioxidelaag om toegang te krijgen tot het grafeen en maakten ze de arrays los van de wafer.
Voor de karakterisering van de elektroden voerde het team elektrochemische depositie van platina nanodeeltjes (PtNP's) en elektrochemische karakteriseringen uit met behulp van een Gamry 600 plus in een fosfaatgebufferde zoutoplossing.
Metingen werden gedaan in een kooi van Faraday om elektromagnetische ruis te vermijden. PtNP-afzetting werd uitgevoerd in een configuratie met twee elektroden, waarbij een stroom van de grafeenelektrode naar de tegenelektrode liep.
De impedantie van de elektroden bleek na 150 seconden PtNP-afzetting te verzadigen.
De onderzoekers hebben het conventionele Randles-model aangepast om de elektroden te analyseren, waarbij ze het kwantumcapaciteitseffect, de weerstand van grafeendraden en de pseudo-capaciteit (Cp) van PtNP vastleggen.
Ze verwijderden de kwantumcapaciteitscomponent uit het equivalente circuitmodel voor de elektrode/elektrolyt-interface, door Cp en ladingsoverdrachtsweerstand (Rct) toe te voegen om de pseudo-capaciteit van PtNP weer te geven. Capaciteiten in de circuitmodellen werden geëxtraheerd door meetgegevens van elektrochemische impedantiespectroscopie te passen.
Dierprocedures volgden protocollen die waren goedgekeurd door het Institutional Animal Care and Use Committee van de Universiteit van Californië in San Diego. Volwassen muizen werden verdoofd en er werd een op maat gemaakte hoofdplaat in hun schedel geïmplanteerd.
Er werd een craniotomie gemaakt over de linkerhersenhelft en de transparante PtNPs/dubbellaags grafeen (id-DLG) elektrode-array werd op de blootgestelde cortex geplaatst.
Visuele stimuli werden aan de dieren gepresenteerd en beeldvorming met twee fotonen en analyse van de beeldgegevens werden uitgevoerd met behulp van een commerciële twee-fotonenmicroscoop.
Elektrofysiologische opnames werden gemaakt met behulp van de RHD2000-versterkerkaart en de gegevens werden geanalyseerd met behulp van aangepaste scripts in Matrix Laboratory (MATLAB). Voor de analyse en correlatie met calciumactiviteit werden elektroden met impedanties boven 10 MΩ uitgesloten.
Het team paste verschillende filters toe op de oppervlakteopnamen om verschillende frequentiebanden te isoleren en de visueel opgeroepen mogelijkheden te extraheren.
Ze ontwikkelden ook een neuraal netwerkmodel in Python om calciumactiviteit op basis van de oppervlaktepotentialen te voorspellen, waarbij ze een bidirectionele lange kortetermijngeheugenlaag (BiLSTM) implementeerden en de gemiddelde kwadratische fout als verliesfunctie gebruikten.
Gaussiaanse procesfactoranalyse (GPFA) – een generatief model – werd gebruikt om latente representaties te extraheren die de gedeelde variabiliteit van hoogdimensionale gegevens beschrijven. De geprojecteerde calciumsignalen uit het BiLSTM-model werden vergeleken met de echte calciumsignalen.
Voor statistische analyse werd een tweezijdige Wilcoxon-rangsomtest gebruikt om de decoderingsprestaties te vergelijken.
Studieresultaten
De onderzoekers hebben aanzienlijke uitdagingen overwonnen bij het ontwikkelen van transparante grafeenmicro-elektrode-arrays met hoge dichtheid en ultrakleine elektroden. Ze hebben problemen aangepakt die verband houden met de kwantumcapaciteit in grafeen, een materiaal dat bekend staat om zijn lage toestandsdichtheid nabij het Dirac-punt, door gebruik te maken van PtNP's.
Deze innovatieve methode creëerde een pad met lage impedantie, waardoor de elektrode-impedantie aanzienlijk werd verlaagd van 5.4 MΩ naar 250 kΩ. Het team ontwikkelde ook een gelijkwaardig circuitmodel om de elektrochemische impedantie van deze elektroden te analyseren, wat de succesvolle integratie van id-DLG en PtNP's aantoont.
Dit resulteerde in volledig transparante grafeenarrays met een hoog rendement die de signaalkwaliteit behouden, zelfs met ultrakleine elektroden.
In in vivo Tijdens experimenten gebruikte het team deze arrays om elektrofysiologische signalen van het corticale oppervlak van transgene muizen vast te leggen en tegelijkertijd calciumbeeldvorming uit te voeren met twee-fotonenmicroscopie.
Dankzij deze aanpak konden de onderzoekers exciterende neuronen en hun compartimenten observeren met eencellige resolutie. Ze zouden diverse neuronale reacties op visuele stimuli kunnen registreren en uniforme elektrofysiologische opnames over de hele cortex kunnen garanderen.
De transparantie van de grafeenarray en het ultrakleine formaat van de PtNP-elektroden maakten uitgebreide ruimtelijke dekking mogelijk zonder het gezichtsveld te belemmeren, waardoor observatie met hoge resolutie van oppervlaktepotentialen over een groot deel van de cortex mogelijk werd gemaakt.
De onderzoekers gebruikten vervolgens kunstmatige neurale netwerken, waaronder een enkellaags BiLSTM-netwerk, om hersenactiviteit in diepere lagen te voorspellen met behulp van alleen de elektrische opnames met hoge resolutie van het corticale oppervlak.
De modellen zijn getraind op multimodale datasets om de niet-lineaire relaties tussen cellulaire calciumactiviteiten en oppervlaktepotentialen te begrijpen.
Deze aanpak toonde een sterke correlatie aan tussen de voorspelde en werkelijke calciumactiviteiten voor beide lagen, wat aangeeft dat verschillende kanalen complementaire informatie voor decodering leverden.
Het team onderzocht ook de haalbaarheid van het voorspellen van eencellige activiteiten uit oppervlaktepotentialen met behulp van GPFA om laagdimensionale latente variabelen te extraheren die representatief zijn voor hoogdimensionale calciumfluorescentiesignalen.
Deze methode leidde effectief de calciumactiviteit van neuronen op diepte af met behulp van elektrische activiteiten aan het oppervlak.
Ze ontdekten echter ook dat populatiekoppeling niet de enige factor was die de decoderingsprestaties bepaalde, wat suggereert dat hoewel het bijdraagt aan de gevolgtrekking van individuele celactiviteit, er ook andere factoren een rol spelen.
Dit geeft aan dat oppervlaktepotentialen die door de grafeenarrays worden geregistreerd, waardevolle informatie bevatten over neuronale activiteiten over verschillende hersenlagen, waardoor de dynamiek van de neurale populatie zelfs op het niveau van een enkele cel kan worden afgeleid.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.news-medical.net/news/20240115/Revolutionary-transparent-graphene-microelectrodes-enhance-brain-imaging-and-stimulation.aspx
