Повністю прозора матриця для мікроелектродів дозволяє проводити кілька нейрофізіологічних експериментів одночасно.
Людський мозок - надзвичайно складна і унікальна система, і для його дослідження існує безліч методів. Судити про інформаційні процеси в мозку ми можемо або щодо змін у міжнейронних контактах - синапсах, або щодо змін у кровообігу - працюючі ділянки вимагають більше поживних речовин і кисню; і вивчення людського мозку, по суті, зводиться до спостереження за цими двома типами активності, що проявляються у відповідь на різні подразники.
Тут є неінвазивні способи, наприклад, ультразвукові дослідження, функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ) і енцефалографія, хоча часом нейробіологи змушені «залазити в голови» в самому прямому сенсі. Різні методи дозволяють, серед іншого, більше дізнатися про те, як працюють зір, нюх та інші сенсорні системи, детально вивчати докладний механізм синдромів Паркінсона і Альцгеймера і, що теж важливо, досліджувати механізми імунного захисту мозку. Це дуже широкомасштабні і складні завдання, і чим більше інформації тут дає експеримент, тим краще. І інвазивні, і неінвазивні методи активно розвиваються завдяки науково-технічному прогресу і появі нових матеріалів зі всілякими властивостями.
Зазвичай для нейрофізіологічних досліджень в мозок вживляються спеціальні матриці мікроелектродів (тобто багато електродів, встановлених на загальну матрицю), що дозволяють детектувати електричний сигнал в декількох місцях відразу. Залежно від експерименту такі матриці імплантують або на поверхню мозку, або вглиб.
У матриць мікроелектродів зазвичай є ряд мінусів: непрозорі контакти, обмежена прозорість матеріалу в цілому і нерівномірна пропускаюча здатність для різних довжин хвиль. Часто вони робляться з жорсткого і біологічно несумісного матеріалу, на який мозок реагує запаленням. В ідеалі ж матриці повинні бути прозорими в широкому діапазоні, щоб нейрони можна було стимулювати світлом різної частоти, від синього (використовуваного в оптогенетиці) до інфрачервоного (застосовуваного в двофотонній флуоресцентній мікроскопії) спектру, гнучкими і біосумісними. Також бажано, щоб вони були досить тонкими - при належній прозорості це дозволяє оптимізувати оптичний збір інформації.
Для матричних нейроелектродів часто використовують такі матеріали, як оксид індія-титану (ITO) з напиленням титану або цирконій. Вони пропускають 80% і 60% світла відповідно, проте пропускна здатність сильно залежить від довжини хвилі, через що складно поєднати кілька методів, що використовують для нейростимуляції або детекції відповідного сигналу різні довжини світлових хвиль.
Американські фізики і нейробіологи розробили нові матриці мікроелектродів на основі графена. Графен являє собою кристал з атомів вуглецю, розташованих у формі бджолиних сот, товщиною в один або кілька атомів - фактично, це двомірний кристал. Якщо скласти безліч графенових шарів до стосу, то ми отримаємо добре відомий всім графіт.
Графен досить гнучкий, і в той же час дуже міцний для своєї товщини. Він так само володіє прозорістю близько 90% у спектрі від ультрафіолетового до інфрачервоного, і прекрасно проводить струм. Зрозуміло, чому багато дослідників активно вивчають графен і можливості його використання при створенні тонких і гнучких електродів.
У своїй роботі Донг-Вук Пак (Dong-Wook Park) і його колеги запропонували методику з виготовлення графенових прозорих матриць мікроелектродів, які можна використовувати в мікроелетрокортикографії (тобто у вивченні електричної активності кори головного мозку), в експериментах з електрофізіології, у флюоресцентній мікроскопії (коли окремі нейрони «підсвічуються» спецірецентальними «флюресцентальними».
Матриці створювали, переносячи на спеціальну гнучку підкладку одношаровий графен, вирощений методом хімічної облоги з пари. При правильно підібраних умовах на мідній підкладці в певній атмосфері і при високій температурі відбувається рівномірне осадження атомів вуглецю з утворенням графену високої якості.
Для надійності на підкладку з парилена (стійкого до розчинників полімерного діелектрика) переносили 4 шари графена (хоча в принципі можна перенести готовий чотиришаровий графен). Така товщина також дає оптимальне співвідношення прозорості та електричної провідності. Отримана прозора і гнучка матриця мікроелектродів дозволяє зробити різні методи вивчення мозкової діяльності максимально ефективними. Повністю результати експериментів опубліковані в Nature Protocols.
Нейробіологи покладають великі надії на свій винахід: вони впевнені, що його можна пристосувати для різних досліджень з вивчення мозкової активності, а також для створення імплантатів. Крім того, подібна матриця мікроелектродів стане в нагоді і в експериментах з клітинними культурами, в яких дуже важливо стежити за зростанням клітин.
А якщо «навчити» цей пристрій електричної стимуляції нейронів, то прозорі електроди можна адаптувати для вивчення м'язової і серцевої активності. Подібні пристрої дозволяли б одночасно і виконувати електростимуляцію, і відстежувати активність клітин і органів, і спостерігати за всім процесом за допомогою мікроскопа.