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Implantes cerebrales optogenéticos transparentes: otro uso sorprendente del grafeno

La transparencia es la clave de muchas tecnologías. Las películas conductoras delgadas, como las hechas de ITO (óxido de indio y estaño), por ejemplo, pueden transportar corrientes o crear campos eléctricos críticos para pantallas o paneles solares sin bloquear toda la luz. Los implantes cerebrales más potentes que se fabrican en la actualidad tienen exactamente este mismo requisito. Es decir, necesitan grabar señales eléctricas rápidas con matrices conductoras mientras permiten que la luz pase a través de ellas para obtener imágenes de alta resolución, y solo para llevarlas a un nivel superior, dejar pasar la luz. en para permitir el control optogenético directamente debajo del implante para la guinda del pastel.

Desafortunadamente, ITO es generalmente demasiado rígido y demasiado frágil para los implantes cerebrales. Incluso si pudiera hacerse flexible, las altas temperaturas requeridas para procesarlo son incompatibles con muchos de los materiales (como el parileno) que se utilizan en los implantes. Además, el ancho de banda de transparencia de ITO es insuficiente para explotar completamente el amplio espectro de nuevas proteínas optogenéticas capaces de UV e IR que tienen a los investigadores bastante entusiasmados. La solución, que ahora surge de múltiples laboratorios en todo el universo, es construir matrices de electrodos transparentes y flexibles a partir de grafeno. Dos estudios en el último número de Nature Communications, uno del Universidad de Wisconsin-Madison y el otro de Penn, describe cómo construir estos dispositivos.

Los investigadores de la Universidad de Wisconsin son un poco más inteligentes o un poco más ricos, porque publicaron su trabajo en acceso abierto. Entonces, es obvio que nos centraremos en sus métodos primero, y también con más detalle. Para hacer las matrices, estos tipos primero depositaron el sustrato de parileno (polímero) en una oblea de silicio, lo metalizaron con oro y luego lo modelaron con un haz de electrones para crear pequeñas almohadillas de contacto. La magia fue luego aplicar cuatro capas de grafeno apiladas de un solo átomo de espesor utilizando una técnica de transferencia húmeda. Estas capas se protegieron luego con una capa de dióxido de silicio, otra capa de parileno, y finalmente se moldearon en la señal del cerebro que registra la bondad con grabado de iones reactivos.

PennTransparenteelectrodoLos investigadores optaron por cuatro capas de grafeno porque proporcionaban una integridad mecánica y una conductividad óptimas al tiempo que mantenían una transparencia suficiente. Probaron el dispositivo en ratones opto-mejorados cuyas neuronas expresaban proteínas que reaccionan a la luz azul. Cuando golpearon las neuronas con un láser disparado a través del implante, los canales de proteínas se abrieron y dispararon la célula debajo. El golpe maestro que quedó fue entonces registrar con éxito las señales eléctricas de este disparo, sentarse y esperar a que llamara la oficina del premio Nobel.

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El grupo de Penn State usó una matriz de electrodos de 16 puntos similar (en la imagen de arriba a la derecha) y procedió, suponemos, de la misma manera. Su ángulo era realizar imágenes ópticas de alta resolución, en particular imágenes de calcio, directamente a través de las matrices de electrodos transparentes que registraban simultáneamente señales de alta resolución temporal. Hicieron esto en cortes del hipocampo donde pudieron utilizar el hardware complejo y variado necesario para realizar microscopía confocal y de dos fotones. Estas últimas técnicas proporcionan un impulso en la resolución espacial al poner a cero en planos estrechos dentro de la muestra y limitar el fondo mediante el requisito de dos fotones para generar una señal óptica. Debemos mencionar que hay tintes sensibles al voltaje disponibles, además de los tintes de calcio estándar, que casi pueden registrar los picos individuales más rápidos, pero la grabación eléctrica aún reina suprema en velocidad.

Cómo se ve un mouse con un sistema optogenético conectado

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Una preocupación de ambos grupos al realizar este tipo de mediciones electroópticas simultáneas fue la generación de artefactos inducidos por la luz en las grabaciones eléctricas. Esta posible complicación, llamada Efecto fotovoltaico becqueral, se sabe que existe desde que se demostró por primera vez en 1839. Cuando la luz incide en un electrodo metálico convencional, se produce un efecto fotoelectroquímico (o más simplemente, fotovoltaico). Si están presentes en estas grabaciones, las diferentes señales podrían ser altamente desambiguables. Los investigadores de Penn informaron que no vieron ningún artefacto significativo, mientras que los investigadores de Wisconsin vieron algunos pequeños efectos con su dispositivo. En particular, en comparación con los electrodos de platino colocados en el hemisferio cortical del lado opuesto, los investigadores de Wisconsin encontraron que el artefacto del grafeno era similar al obtenido de los electrodos de platino.

En este punto, ambos grupos están ocupados caracterizando el rendimiento de sus nuevos dispositivos con todo lujo de detalles. Si funcionan como implantes cerebrales más permanentes, pueden ofrecer un buen complemento a otros enfoques nuevos que hemos visto recientemente: materiales flexibles como la seda, por ejemplo. Donde la seda puede ofrecer biodegradabilidad y reversibilidad, el grafeno puede ofrecer permanencia y confiabilidad biocompatibles. La exageración significativa con respecto a la optogenética, bien fundada en nuestra opinión, parece haber disminuido por el momento. Nuevos avances como los que acabamos de describir pueden ayudar a volver a centrar la atención general en el enorme beneficio potencial que la optogenética tiene para los humanos.

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