Czujniki grafenowe o szerokości atomu mogą zapewnić bezprecedensowy wgląd w strukturę i funkcję mózgu
Nowa technologia sfinansowana przez program RE-NET DARPA umożliwia monitorowanie i stymulację neuronów jednocześnie metodami optycznymi i elektronicznymi
DARPA.mil
Zrozumienie struktury anatomicznej i funkcji mózgu jest od dawna celem neuronauki i najwyższym priorytetem inicjatywy prezydenta Obamy dotyczącej mózgu.
Elektryczne monitorowanie i stymulacja sygnalizacji neuronowej to podstawowa technika badania funkcji mózgu, podczas gdy pojawiające się techniki optyczne – wykorzystujące fotony zamiast elektronów – otwierają nowe możliwości wizualizacji struktury sieci neuronowej i badania funkcji mózgu.
Techniki elektryczne i optyczne oferują wyraźne i uzupełniające się korzyści, które, jeśli zostaną użyte razem, mogą przynieść ogromne korzyści w badaniu mózgu w wysokiej rozdzielczości.
Połączenie tych technologii stanowi jednak wyzwanie, ponieważ konwencjonalne technologie elektrod metalowych są zbyt grube (>500 nm), aby były przezroczyste dla światła, co czyni je niekompatybilnymi z wieloma podejściami optycznymi.
Aby pomóc przezwyciężyć te wyzwania, DARPA stworzyła narzędzie do weryfikacji koncepcji, które demonstruje znacznie mniejsze, przezroczyste styki, które mogą mierzyć i stymulować tkankę nerwową za pomocą metod elektrycznych i optycznych w tym samym czasie.
Naukowcy z University of Wisconsin w Madison opracowali nową technologię przy wsparciu programu DARPA Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET). Zostało to szczegółowo opisane w artykule w Nature Communications (http://www.nature.com/articles/ncomms6258).
„Ta technologia demonstruje potencjalnie przełomowe możliwości wizualizacji i ilościowego określania aktywności sieci neuronowej w mózgu” – powiedział Doug Weber, menedżer programu DARPA.
„Zdolność do jednoczesnego pomiaru aktywności elektrycznej na dużą i szybką skalę z bezpośrednią wizualizacją i modulacją anatomii sieci neuronowej może zapewnić bezprecedensowy wgląd w relacje między strukturą a funkcją mózgu – i, co ważne, w jaki sposób te relacje ewoluują w czasie lub są zaburzone przez uraz lub choroba."
Nowe urządzenie wykorzystuje grafen, niedawno odkrytą formę węgla, na elastycznym plastikowym podłożu, które dopasowuje się do kształtu tkanki.
Czujniki grafenowe są elektrycznie przewodzące, ale mają tylko 4 atomy grubości — mniej niż 1 nanometr i setki razy cieńsze niż obecne styki.
Jego ekstremalna grubość umożliwia przepuszczanie prawie całego światła w szerokim zakresie długości fal.
Co więcej, grafen jest nietoksyczny dla systemów biologicznych, co stanowi ulepszenie w stosunku do poprzednich badań nad przezroczystymi stykami elektrycznymi, które są znacznie grubsze, sztywne, trudne w produkcji i oparte na potencjalnie toksycznych stopach metali.
Demonstracja technologii czerpie z trzech przełomowych dziedzin badawczych:
grafenu, za który naukowcy otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki;
superrozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna, która przyniosła badaczom Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2014 roku;
oraz optogenetyka, która polega na genetycznym modyfikowaniu komórek w celu wytworzenia specyficznych białek reagujących na światło.
Projekt RE-NET dąży do opracowania nowych narzędzi i technologii, aby zrozumieć i przezwyciężyć mechanizmy awarii interfejsów neuronowych.
DARPA jest zainteresowana rozwojem neurotechnologii nowej generacji w celu ujawnienia związku między strukturą a funkcją sieci neuronowej.
RE-NET i kolejne programy DARPA w tej dziedzinie planują wykorzystać to nowe narzędzie, jednocześnie mierząc funkcję, ruch fizyczny i zachowanie neuronów u swobodnie poruszających się obiektów.
Technologia ta zapewnia możliwość modulowania funkcji neuronowych poprzez zastosowanie zaprogramowanych impulsów elektryczności lub światła do tymczasowej aktywacji neuronów.
W związku z tym może nie tylko zapewnić lepszą obserwację natywnej funkcjonalności, ale także, poprzez uważną modulację aktywności obwodów, umożliwić eksplorację związków przyczynowych między sygnałami nerwowymi a funkcją mózgu.
„Historycznie badacze ograniczali się do badań korelacyjnych, które sugerują, ale nie udowadniają powiązań przyczynowych między aktywnością neuronalną a zachowaniem” – powiedział Weber.
„Teraz mamy okazję bezpośrednio zobaczyć, zmierzyć i stymulować obwody neuronowe, aby zbadać te relacje oraz opracować i zweryfikować modele funkcjonowania obwodów mózgowych. Ta wiedza może bardzo pomóc w zrozumieniu i leczeniu urazów i chorób mózgu”.
RE-NET jest częścią szerszego portfolio programów w ramach DARPA, które wspierają inicjatywę mózgu prezydenta Obamy.
Programy te obejmują ciągłe wysiłki mające na celu pogłębienie podstawowego zrozumienia dynamiki mózgu w celu napędzania aplikacji (Revolutionizing Prosthetics, Restorative Encoding Integracja pamięci urządzenie neuronowe,, Reorganization and Plasticity to Accelerate Injury Recovery, Enabling Stress Resistance), produkuje systemy czujnikowe do zastosowań i terapii w neuronauces (Hand Proprioception & Touch Interfaces,Electrical Prescriptions) oraz analizować duże zbiory danych (wykrywanie i analiza obliczeniowa sygnałów psychologicznych).
Przetlumaczyla GR przez translator Google
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz