Как графен помогает проникнуть в мозг

Полностью прозрачная матрица для микроэлектродов позволяет проводить несколько нейрофизиологических экспериментов одновременно.

Человеческий мозг – необычайно сложная и уникальная система, и для его исследования существует множество методов. Судить об информационных процессах в мозге мы можем либо по изменениям в межнейронных контактах – синапсах, либо по изменениям в кровообращении – работающие участки требуют больше питательных веществ и кислорода; и изучение человеческого мозга, в сущности, сводится к наблюдению за этими двумя типами активности, проявляющимися в ответ на различные раздражители.

Здесь есть неинвазивные способы, например, ультразвуковые исследования, функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и энцефалография, хотя порой нейробиологи вынуждены «залезать в головы» в самом прямом смысле. Различные методы позволяют, среди прочего, больше узнать о том, как работают зрение, обоняние и другие сенсорные системы, детально изучать подробный механизм синдромов Паркинсона и Альцгеймера и, что тоже немаловажно, исследовать механизмы иммунной защиты мозга. Это очень широкомасштабные и сложные задачи, и чем больше информации здесь даёт эксперимент, тем лучше. И инвазивные, и неинвазивные методы активно развиваются благодаря научно-техническому прогрессу и появлению новых материалов со всевозможными свойствами.

Обычно для нейрофизиологических исследований в мозг вживляются специальные матрицы микроэлектродов (то есть много электродов, установленных на общую матрицу), позволяющие детектировать электрический сигнал в нескольких местах сразу. В зависимости от эксперимента такие матрицы имплантируют либо на поверхность мозга, либо вглубь.

У матриц микроэлектродов обычно есть ряд минусов: непрозрачные контакты, ограниченная прозрачность материала в целом и неравномерная пропускающая способность для разных длин волн. Часто они делаются из жёсткого и биологически несовместимого материала, на который мозг реагирует воспалением. В идеале же матрицы должны быть прозрачными в широком диапазоне, чтобы нейроны можно было стимулировать светом разной частоты, от синего (используемого в оптогенетике) до инфракрасного (применяемого в двухфотонной флуоресцентной микроскопии) спектра, гибкими и биосовместимыми. Также желательно, чтобы они были достаточно тонкими – при должной прозрачности это позволяет оптимизировать оптический сбор информации.

Для матричных нейроэлектродов часто используют такие материалы, как оксид индия-титана (ITO) с напылением титана или цирконий. Они пропускают 80% и 60% света соответственно, однако пропускная способность сильно зависит от длины волны, из-за чего сложно совместить несколько методов, использующих для нейростимуляции или детекции ответного сигнала разные длины световых волн.

Американские физики и нейробиологи разработали новые матрицы микроэлектродов на основе графена. Графен представляет собой кристалл из атомов углерода, расположенных в форме пчелиных сот, толщиной в один или несколько атомов – фактически, это двухмерный кристалл. Если составить множество графеновых слоёв в стопку, то мы получим хорошо известный всем графит.

Графен весьма гибок, и в то же время очень прочен для своей толщины. Он так же обладает прозрачностью порядка 90% в спектре от ультрафиолетового до инфракрасного, и прекрасно проводит ток. Понятно, почему многие исследователи активно изучают графен и возможности его использования при создании тонких и гибких электродов.

В своей работе Донг-Вук Пак (Dong-Wook Park) и его коллеги предложили методику по изготовлению графеновых прозрачных матриц микроэлектродов, которые можно использовать в микроэлетрокортикографии (то есть в изучении электрической активности коры головного мозга), в экспериментах по электрофизиологии, во флюоресцентной микроскопии (когда отдельные нейроны «подсвечиваются» специальными флюоресцентными маркерами), в оптогенетике, в исследованиях иммунной системы мозга и т. д.

Матрицы создавали, перенося на специальную гибкую подложку однослойный графен, выращенный методом химического осаждения из пара. При правильно подобранных условиях на медной подложке в определённой атмосфере и при высокой температуре происходит равномерное осаждение атомов углерода с образованием графена высокого качества.

Для надёжности на подложку из парилена (устойчивого к растворителям полимерного диэлектрика) переносили 4 слоя графена (хотя в принципе можно перенести готовый четырёхслойный графен). Такая толщина также даёт оптимальное соотношение прозрачности и электрической проводимости. Получающаяся прозрачная и гибкая матрица микроэлектродов позволяет сделать различные методы изучения мозговой деятельности максимально эффективными. Полностью результаты экспериментов опубликованы в Nature Protocols.

Нейробиологи возлагают большие надежды на своё изобретение: они уверены, что его можно приспособить для самых разных исследований по изучению мозговой активности, а также для создания имплантатов. Кроме того, подобная матрица микроэлектродов пригодится и в экспериментах с клеточными культурами, в которых очень важно следить за ростом клеток.

А если «научить» это устройство электрической стимуляции нейронов, то прозрачные электроды можно адаптировать для изучения мышечной и сердечной активности. Подобные устройства позволяли бы одновременно и выполнять электростимуляцию, и отслеживать активность клеток и органов, и наблюдать за всем процессом с помощью микроскопа.