Развитие понимания работы мозга требует информации о нейронной динамике, включая их местоположение и электропроводность, а также особенности «зажигательной» и двигательной активности. При отсутствии техник, которые позволили бы получать пространственную и временную информацию одновременно, ранее исследователи использовали электрофизиологические методики для записи активности нейронов и функциональные оптические методы для формирования пространственных изображений. До сих пор эти два метода не могли использоваться одновременно, поскольку электроды приходилось перемещать во время оптических измерений, что вызывало светоиндуцированные артефакты на записи. Теперь же группа ученых из США показала, что прозрачные и гибкие электроды из графена позволяют существенно повысить точность исследований.

Электрофизиологические записи показывают активность нейрона, но не могут обеспечить пространственной информации высокого разрешения,

т.к. доступ электродов в мозг ограничен его геометрией. Рассматривая срез мозга, можно наблюдать временные шаблоны активности в каком-то одном фрагменте электрофизиологических записей.

Использование методик оптического отображения позволяет получить информацию о пространственном распределении нейронов и их соединениях в каком-то одном фрагменте слоя мозга, и эти данные можно объединить с результатами электрофизиологических исследований для формирования выводов о нервной динамике. Но до сих пор ученым не удавалось разработать методики исследования нейронных сетей, одновременно дающие информацию и о пространственном распределении, и о временных аспектах взаимодействия. Связано это с тем, что нейронные электроды традиционно изготавливают из металлов, которые не являются оптически прозрачными и блокируют из поля зрения часть мозга в процессе оптических исследований. В то же время, металлы взаимодействуют с используемым лазерным излучением и создают артефакты, которые на записи чрезвычайно трудно отличить от подлинных оптических характеристик объектов.

Группа исследователей из University of Pennsylvannia (США) предложила использовать вместо металлических электродов графеновые.

Как показала их последняя работа, такие электроды лишены обеих упомянутых выше проблем.

Графен – это двумерный лист атомов углерода, формирующих гексагональную кристаллическую решетку. Особенность этого материала заключается в том, что он обладает интересными механическими и электронными свойствами, что делает его привлекательным, в том числе, для нейронных приложений:

графен проводит электрический ток, он относится к двумерным материалам, т.е. оптически прозрачен. Как отметили ученые, их очень удивило то, что никто не пытался применить этот материал для нейронных исследований раньше.

Научная группа использовала графеновые электроды для изучения эпилепсии у мышей и крыс, испытывающих судороги.

Они исследовали слои из той части мозга, которая склонна к эпилепсии – гиппокампа, отвечающего также за память, пространственную навигацию и обучение. Используя графеновые электроды, ученые смогли одновременно провести запись активности во времени и снять пространственную картинку с хорошим разрешением, так что они получили возможность изучить возникновение и распространение эпилептических припадков на клеточном уровне.

Продвигаясь в этом направлении, научная группа надеется найти биомаркер для эпилептических припадков, а также разработать способы остановки судорог, прежде чем они переходят в ткани головного мозга.

Для предотвращения образования артефактов на записи и блокирования обзора нервной системы важна оптическая прозрачность графена. Но этот материал имеет и много других полезных в данном случае свойств. К примеру, его гибкость важна для получения хорошего контакта с мозговой тканью. Кроме того, графен устойчив к коррозии. Это означает, что в рамках нейронных исследований графен можно использовать в качестве покрытия для материалов, которые склонны к коррозии, что значительно расширяет спектр материалов, доступных исследователям.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.