High-bandwidth graphene neural interfaces

Resum

El funcionament del cervell es basa en processos complexos, que encara no s'han descrit i comprès detalladament. En les últimes dècades, la neurociència ha experimentat un desenvolupament accelerat, impulsat per noves neurotecnologías que permeten monitoritzar les dinàmiques de l'activitat elèctrica al cervell amb una major resolució espai-temporal i una àrea de cobertura més àmplia. No obstant això, a causa de l'alta complexitat de les xarxes neuronals al cervell, que són compostes per poblacions neuronals fortament interconnectades en àmplies regions cerebrals, estem lluny de detectar una fracció significativa de les neurones que donen lloc a funcions complexes. Per tal d'investigar les dinàmiques neuronals a gran escala amb alta resolució espacial, s'han utilitzat diverses tecnologies, que inclouen la ressonància magnética funcional (fMRI), imatges amb marcadors sensibles al voltatge o registres electrofisiològics d'alt recompte de sensors. No obstant això, la resolució temporal del fMRI i els mètodes òptics es limita típicament a uns pocs hertzs, gairebé tres ordres de magnitud per sota de la dels potencials d'acció, i es limiten a les condicions en què el subjecte es troba immòbil. D'altra banda, els registres electrofisiològics basats en matrius de microelèctrodes proporcionen una alta resolució espai-temporal, el que permet detectar amb precisió dinàmiques ràpides de centenars de neurones individuals simultàniament en animals que es mouen lliurement. No obstant això, les interfícies de detecció neuroelectrónica presenten una limitació en el producte entre la resolució espacial i l'àrea de cobertura. A més, presenten una baixa sensibilitat a la banda de freqüència infra-lenta (<0. 5Hz), que està relacionada amb la connectivitat funcional de llarg abast. En aquesta tesi es presenta una nova tecnologia basada en sensors actius de grafè, que permet incrementar l'àrea de cobertura i la resolució espacial dels registres electrofisiològics conservant una alta sensibilitat en una banda de freqüència àmplia, des de l'activitat infra-lenta fins a la de una sola cèl·lula electrogénica. Aquest desenvolupament tecnològic es divideix en tres etapes principals; en primer lloc, s'obté una comprensió més profunda de les característiques intrínseques del soroll i la resposta en freqüència d'aquests sensors basant-se en l'estat de l'art en tecnologia de sensors de grafè. En la segona etapa, es mostra un sistema quasi-comercial basat en matrius de sensors de grafè epi-cortical i transmissió sense fil per a la implantació crònica en rates. Amb aquest sistema, es demostra la reproductibilitat de les matrius de sensors de grafè, la seva estabilitat a llarg termini i la seva biocompatibilitat crònica. A més, es proporciona evidència preliminar per a una àmplia gamma de nous patrons electrofisiològics gràcies a la seva sensibilitat en la banda de freqüència infra-lenta. Finalment, en l'última etapa d'aquesta tesi, l'enfocament se centra en el desenvolupament de noves estratègies de multiplexació per augmentar el nombre de sensors a les sondes neuronals. Aquestes tres etapes principals de desenvolupament han portat a la demostració del potencial de les matrius de sensors de grafè multiplexats per al mapejat de les dinàmiques neuronals a gran escala en una banda de freqüència àmplia, en animals que es mouen lliurement, durant llargs períodes. La combinació d'aquestes capacitats fa que les matrius de sensors actius de grafè siguin una tecnologia prometedora per a interfícies cervell-ordinador d'alt ample de banda i una eina única per investigar el paper de l'activitat infra-lenta en la coordinació de les dinàmiques neuronals d'alta freqüència.

Data del Ajut	1 de jul. 2021
Idioma original	Anglès
Supervisor	Garrido Ariza José Antonio (Director/a)