Оптогенетические мозговые импланты
Оптогенетика, как отдельное направление генной инженерии, возникла достаточно давно. В основе её методов лежит разработка набора фотоактивируемых инструментов, которые позволяют редактировать геном организма с помощью внешнего использования света. Одним из таких инструментов являются сверхтонкие и суперпроводящие мозговые импланты, создаваемые сегодня. Они должны записывать быстрые электрические сигналы с помощью проводящих решеток, позволяя свету проходить через них для визуализации с высоким разрешением.
Первоначально для этой цели планировалось использовать тонкие светопроводящие плёнки из оксида индия-олова (ITO), которые могут проводить токи или создавать электрические поля, критически важные для дисплеев или солнечных панелей, но в процессе работы выяснилось, что структура ITO слишком жесткая и одновременно слишком хрупкая для светопроводящих мозговых имплантатов. Даже если бы структуру ITO удалось бы сделать гибкой, высокие температуры, необходимые для её обработки, несовместимы со многими материалами (например, париленом), которые используются в мозговых имплантатах. Кроме того, полоса пропускания ITO недостаточна для того, чтобы в полной мере использовать широкий спектр новых оптогенетических белков, способных к ультрафиолетовому и инфракрасному излучению.
В связи с этим основное внимание исследователей было сосредоточено на создании гибких и прозрачных электродных решеток из графена. Исследователи из Университета Висконсина нанесли париленовую (полимерную) подложку на кремниевую пластину, металлизировали ее золотом, а затем обработали лазерным лучом, чтобы создать небольшие контактные площадки. Главная сложность заключалась в последующем нанесении четырёх сложенных слоёв графена толщиной в один атом с помощью техники мокрого переноса, после чего эти слои были защищены слоем диоксида кремния, еще одним слоем парилена и, наконец, перед вживлением в мозг, снабжены с помощью реактивного ионного травления ещё одним слоем, записывающим сигналы нейронов. Учёные решили нанести четыре графеновых слоя, потому что это обеспечивает оптимальную механическую целостность и проводимость, сохраняя при этом достаточную прозрачность. Они протестировали устройство на мышах, чьи нейроны экспрессировали белки, реагирующие на синий свет. Когда они воздействовали на нейроны лазером, введенным через имплантат, белковые каналы открывались и возбуждали клетку под ними, так что оставалось только успешно записать обратные электрические сигналы.