במחקר שפורסם לאחרונה ב טבע ננוטכנולוגיה, קבוצת חוקרים פיתחה מיקרו-אלקטרודות גרפן שקופות בצפיפות גבוהה, קטנות במיוחד, לרזולוציה מרחבית משופרת בהקלטות אלקטרו-פיזיולוגיות של פני המוח ובהדמיית סידן, המאפשרות פענוח של פעילויות עצביות של תא בודד וממוצע מפוטנציאלים פני השטח.
מחקר: מערכי גרפן שקופים בצפיפות גבוהה לחיזוי פעילות סידן תאית בעומק מהקלטות פוטנציאל פני השטח. קרדיט תמונה: Gorodenkoff/Shutterstock.com
רקע כללי
חקר מנגנוני מוח על פני סולמות מרחביים וזמניים מגוונים חיוני להבנת דינמיקה עצבית, המחייב כלים המשלבים אופנים שונים.
טכנולוגיות מיקרואלקטרודות שקופות מסורתיות, למרות התקדמותן, מוגבלות על ידי גודל וצפיפות ערוץ.
דרוש מחקר נוסף כדי לשפר את השילוב של טכנולוגיות אלה עם רקמה עצבית חיה, לייעל את היציבות וההתאמה הביולוגית לטווח ארוך, ולהרחיב את היישום שלהם למגוון רחב יותר של מחקרים נוירולוגיים והתערבויות טיפוליות.
לגבי המחקר
החוקרים פיתחו מערכי גרפן שקופים בצפיפות גבוהה על ידי הנחת שכבת פרילן C (PC) על פרוסת סיליקון עם שכבת קורבן של Polydimethylglutarimide (PMGI) SF3.
לאחר מכן הם פיזרו כרום וזהב כדי ליצור חוטי מתכת ורפידות מגע. שכבת הגרפן הראשונה הועברה באמצעות דלמינציה אלקטרוכימית, וכדי להפחית את התנגדות החוטים, היא הושקעה בתמיסת חומצה חנקתית (HNO3).
לאחר הניקוי נוספה שכבת גרפן שנייה. הם השתמשו בפוטורסיסט דו-שכבתי וחרטו את הגרפן בפלזמת חמצן, ולאחר מכן ניקוי. כדי להגן על הגרפן במהלך השלבים הבאים, הם פיזרו עליו שכבת סיליקון דו חמצני עצירת חריטה.
לאחר הפקדה ועיצוב של שכבת מחשב נוספת כשכבת האנקפסולציה, הם הסירו את שכבת הסיליקון הדו-חמצני כדי לגשת לגרפן וניתקו את המערכים מהוואפר.
לצורך אפיון האלקטרודות, הצוות ביצע שקיעה אלקטרוכימית של ננו-חלקיקי פלטינה (PtNPs) ואפיונים אלקטרוכימיים באמצעות Gamry 600 plus בתמיסת מלח מחוסרת פוספט.
מדידות נעשו בכלוב פאראדיי כדי למנוע רעש אלקטרומגנטי. השקעת PtNP בוצעה בתצורת שתי אלקטרודות עם זרם המוזרם מאלקטרודת הגרפן אל האלקטרודה הנגדית.
עכבה של האלקטרודות נמצאה רוויה לאחר 150 שניות של שקיעת PtNP.
החוקרים שינו את המודל הקונבנציונלי של Randles כדי לנתח את האלקטרודות, תוך לכידת אפקט הקיבול הקוונטי, ההתנגדות של חוטי גרפן ופסאודו-קיבול (Cp) של PtNP.
הם הסירו את רכיב הקיבול הקוונטי ממודל המעגל המקביל עבור ממשק האלקטרודה/אלקטרוליט, והוסיפו Cp והתנגדות העברת מטען (Rct) כדי לייצג את הפסאודו-קיבול של PtNP. קיבולים בדגמי המעגל חולצו על ידי התאמת נתוני מדידה של ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימית.
הליכי בעלי חיים פעלו לפי פרוטוקולים שאושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. עכברים בוגרים הורדמו, ולוחית ראש שנבנתה בהתאמה אישית הושתלה בגולגולת שלהם.
בוצעה קרניוטומיה על ההמיספרה השמאלית, ומערך האלקטרודות של PtNPs/גרפן דו-שכבתי (id-DLG) השקוף הונח על הקורטקס החשוף.
גירויים חזותיים הוצגו לבעלי החיים, והדמיית שני פוטונים וניתוח נתוני ההדמיה נערכו באמצעות מיקרוסקופ דו-פוטונים מסחרי.
הקלטות אלקטרופיזיולוגיות בוצעו באמצעות לוח המגבר RHD2000, והנתונים נותחו באמצעות סקריפטים מותאמים אישית במעבדת מטריקס (MATLAB). לצורך הניתוח והמתאם עם פעילות הסידן, אלקטרודות עם עכבות מעל 10 MΩ לא נכללו.
הצוות החיל מסננים שונים על הקלטות פני השטח כדי לבודד פסי תדרים שונים וחילץ את הפוטנציאלים המתעוררים חזותית.
הם גם פיתחו מודל רשת עצבית ב-Python כדי לחזות את פעילות הסידן מפוטנציאל השטח, תוך הטמעת שכבת זיכרון לטווח קצר דו-כיווני (BiLSTM) ושימוש בשגיאה בריבוע ממוצעת כפונקציית ההפסד.
ניתוח גורמי תהליכי גאוס (GPFA) – מודל מחולל – שימש כדי לחלץ ייצוגים סמויים המתארים את השונות המשותפת של נתונים בעלי מימד גבוה. אותות הסידן החזויים ממודל BiLSTM הושוו לאותות הסידן האמיתיים.
לצורך ניתוח סטטיסטי, נעשה שימוש במבחן סכום דירוג של Wilcoxon דו-צדדי להשוואת ביצועי פענוח.
תוצאות המחקר
החוקרים התגברו על אתגרים משמעותיים בפיתוח מערכי מיקרו-אלקטרודות גרפן שקופים בצפיפות גבוהה עם אלקטרודות קטנות במיוחד. הם התייחסו לנושאים הקשורים לקיבול קוונטי בגרפן, חומר הידוע בצפיפות נמוכה של מצבים ליד נקודת דיראק, על ידי שימוש ב-PtNPs.
שיטה חדשנית זו יצרה נתיב בעל עכבה נמוכה, והפחית משמעותית את עכבת האלקטרודה מ-5.4 MΩ ל-250 kΩ. הצוות גם פיתח מודל מעגל שווה לניתוח העכבה האלקטרוכימית של האלקטרודות הללו, תוך הדגמה של שילוב מוצלח של id-DLG ו-PtNPs.
זה הביא למערכי גרפן שקופים בתפוקה גבוהה, ששמרו על איכות האות אפילו עם אלקטרודות קטנות במיוחד.
ב in vivo בניסויים, הצוות השתמש במערכים אלה כדי להקליט אותות אלקטרו-פיזיולוגיים ממשטח קליפת המוח של עכברים מהונדסים, תוך ביצוע הדמיית סידן במיקרוסקופ של שני פוטונים.
גישה זו אפשרה לחוקרים לצפות בתאי עצב מעוררים ובתאים שלהם ברזולוציה של תא בודד. הם יכלו להקליט תגובות נוירונאליות מגוונות לגירויים חזותיים ולהבטיח הקלטות אלקטרופיזיולוגיה אחידות על פני קליפת המוח.
השקיפות של מערך הגרפן והגודל הקטן במיוחד של אלקטרודות ה-PtNP אפשרו כיסוי מרחבי נרחב מבלי לחסום את שדה הראייה, ובכך אפשרו תצפית ברזולוציה גבוהה של פוטנציאלים פני השטח על פני שטח גדול של הקורטקס.
החוקרים השתמשו אז ברשתות עצביות מלאכותיות, כולל רשת BiLSTM חד-שכבתית, כדי לחזות פעילות מוחית בשכבות עמוקות יותר תוך שימוש רק בהקלטות החשמליות ברזולוציה גבוהה ממשטח הקורטיקלי.
המודלים אומנו על מערכי נתונים רב-מודאליים כדי להבין את הקשרים הלא ליניאריים בין פעילויות סידן תאי ופוטנציאל פני השטח.
גישה זו הראתה מתאם חזק בין פעילויות הסידן החזויות והממשיות עבור שתי השכבות, מה שמצביע על כך שערוצים שונים סיפקו מידע משלים לפענוח.
הצוות גם בחן את ההיתכנות של חיזוי פעילויות של תא בודד מפוטנציאלים פני השטח באמצעות GPFA כדי לחלץ משתנים סמויים נמוכים ממדים המייצגים אותות קרינת סידן בממדים גבוהים.
שיטה זו הסיקה למעשה את פעילות הסידן של נוירונים בעומק באמצעות פעילויות חשמליות על פני השטח.
עם זאת, הם גם מצאו שצימוד אוכלוסיה לא היה הגורם היחיד שקובע את ביצועי הפענוח, מה שמצביע על כך שאמנם הוא תורם להסקת פעילות תאים בודדים, אך גורמים אחרים פועלים גם הם.
זה מצביע על כך שפוטנציאלים פני השטח שתועדו על ידי מערכי הגרפן נושאים מידע רב ערך על פעילויות עצביות על פני שכבות מוח שונות, מה שמאפשר הסקת דינמיקה של אוכלוסיה עצבית אפילו ברמת התא הבודד.
