研究人员开发了一种技术，使用铂纳米颗粒，将石墨烯电极的阻抗降低100倍，同时保持透明。在对转基因小鼠的测试中，低阻抗石墨烯电极能够在宏观尺度和单细胞水平上记录和成像神经元活动，例如钙离子尖峰。这一进步使石墨烯电极更接近于适应下一代脑成像技术和各种基本神经科学和医学应用。

在过去的五年中，研究人员一直在探索石墨烯电极，用于神经植入物，可直接放置在大脑表面以记录神经元活动。与现今神经植入物中使用的传统金属电极相比，它们具有几个优点。它们更薄更柔韧，因此可以更好地适应脑组织。它们也是透明的，这使得记录和观察电极正下方神经元的活动成为可能，否则这些神经元会被不透明的金属材料阻挡。

然而，石墨烯电极遭受高阻抗，这意味着电流难以流过材料。这阻碍了大脑和录音设备之间的通信。因此读数很嘈杂。虽然有各种技术可以降低石墨烯的阻抗，但它们会破坏材料的透明度。

在一项新的研究中，加州大学圣地亚哥分校的一个跨学科研究小组开发了一种技术来设计石墨烯电极，这种电极既透明又阻抗低100倍。加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的电气和计算机工程教授DuyguKuzum领导了这项工作。她的团队开发了低阻抗，透明的石墨烯电极阵列。他们与加州大学圣地亚哥分校医学院和生物科学系的神经生物学和神经科学教授TakakiKomiyama合作，他们的团队在转基因小鼠中用这些电极进行脑成像研究。该工作最近发表在AdvancedFunctionalMaterials上。

“这种技术是第一个克服石墨烯的电化学阻抗问题而不牺牲其透明度的技术，”Kuzum说。“通过降低阻抗，我们可以将电极尺寸缩小到单个细胞大小，并以单细胞分辨率记录神经活动。”

降低阻抗

这项工作的另一个重要方面是它是第一个发现石墨烯高阻抗的根源-一种称为量子电容的基本属性。它基本上限制了石墨烯有多少“开放式座位”存储电子。由于分散在整个材料中的座椅数量有限，电子穿过的路径较少。

找到这个限制的解决方法是降低阻抗的关键。Kuzum的团队发现，通过将铂纳米颗粒沉积在石墨烯表面，他们创造了另一组通道来引导电子流动。

“我们之所以选择铂，是因为它是一种成熟的电极材料。由于其低阻抗和生物相容性，它已经使用了几十年。它可以很容易地以低成本沉积在石墨烯上，”第一作者YichenLu说，电气工程博士.D。加州大学圣地亚哥分校Kuzum实验室的学生。

研究人员还确定了一定量的铂纳米颗粒，足以降低阻抗，同时保持高透明度。使用他们的方法，电极保留了其原始透明度的约70%，Kuzum指出它仍然足以使用光学成像获得高质量的读数。

记录小鼠的脑细胞活动

Kuzum的团队与Komiyama实验室的神经科学家合作，测试转基因小鼠的电极。研究人员在皮质表面放置了一个电极阵列。他们能够同时记录和描绘大脑中的钙离子活动。

在他们的实验中，他们记录了皮质表面的大脑活动。与此同时，研究人员使用双光子显微镜通过电极照射激光，并能够直接成像脑表面50和250微米处的个体脑细胞的活动。通过同时获得记录和成像数据，研究人员能够确定哪些脑细胞负责大脑的总活动。

“这项新技术可以将大脑活动的宏观记录(如脑电图)与微观细胞成像技术结合起来，可以解决个体脑细胞的详细活动，”Komiyama说。

“这项工作为利用光学成像检测哪些神经元是我们正在测量的活动的来源开辟了新的机会。这对以前的电极来说是不可能的。现在我们有了一种新技术，可以让我们记录和成像大脑以前我们无法做到的方式，“库祖姆说。