石墨烯传感器阵列用于映射脑活动

04-02-2021 |  |  By 利亚姆克里奇

NeurooCelectron接口I.,脑计算机接口,使信息能够从我们的身体内部的中央神经系统转移到外部设备,并提供监测我们身体内的一些关键神经过程的方法。 

多年来,多年来的研究进入了柔性材料上的大型传感器阵列,以便它们将符合它们应用的表面。这是可以映射脑活动的生物相容性肿瘤探针的常见方法。这种方法使有效传感器能够成为高带宽神经界面的有效构建块。它们可以开发到具有大量神经探针的这些多路复用传感器阵列中。然而,在神经工程空间内有一个驱动器,通过增加它们的带宽来使这些传感器更有效,具体地,提高它们的灵敏度和空间分辨率(在直接测量方法中),以便产生的结果更准确。

通常,这些传感器阵列都具有类似的工作机制。这些传感器系统通过调制晶体管通道内的电导率来工作。该晶体管通过产生局部信号的栅极电子地与生物环境相耦合。然后可以被扩增该信号以产生脑活动的地图。

多年来,已经使用了几种不同的材料来构造感测元件和石墨烯 - 以溶液门控场 - 效应晶体管(G-SGFET) - 现在出现为提高神经电子界面的带宽能力的替代方案的形式。

传感器习惯了

映射神经活动在多年来,多年来已经使用了一系列不同的材料来构建这些传感装置。与任何技术一样,作为新的,更高效的材料,这些日子可以获得,动态转换和科学家和工程师的许多选择。

对于长期产生敏感录音的神经电界面,他们需要具有低的内在噪声,高电动迁移率,高稳定性,容易集成到柔性基板中,并且需要生物相容性。 

因此,已选择许多半导体和半型材料作为传感元件。例如,有机半导体材料和薄硅纳米爆炸已经显示出很多承诺。然而,许多传感器迄今为止具有内在限制(这就是为什么不断寻求新方法)。 Graphene已经出现为潜在的基于材料的解决方案以及其他一些,更有前途的纳米材料解决方案试图迄今为止。

对石墨烯传感器的兴趣越来越感兴趣

现在,Graphene已经在传感器系统中收集了很多兴趣。它是基于石墨烯的电子设备的商业化区域之一 - 从生物传感器到霍尔效应传感器的所有东西(用于测量磁场)今天。石墨烯已被用于传感器,通常,由于其高电导率和电荷载流载流动性提供高灵敏度(可以检测到小环境变化),其固有的薄度使其非常灵活。

虽然这些属性对于精确和保形神经电子界面有用,但是石墨烯已成为这些传感器阵列中使用的材料存在几种其他原因。高稳定性(化学/拉伸强度等)和Graphene的一般良好的生物相容性也是在它用于脑部映射应用中发挥作用的关键特征。已有许多不同的传感器阵列,以迄今为止的基于石墨烯FET(GFET)。其中一些对当地生物领域非常敏感。其他人已经拥有多路复用的操作,许多人已经能够用高空间分辨率映射红外线活动。

然而,由于在当地作为探针时,这些高空间方法已经通过间接测量(MRI等)通过间接测量(MRI等)。这就是为什么,即使他们已经显示了大量潜力,已经寻求更好的石墨烯神经电子接口,这可以采用高空间分辨率进行直接测量。


一种新的石墨烯传感器阵列方法,用于映射脑活动

研究人员现在使用G-SGFET创建了一种新的神经电子界面。 作为有源传感器,G-SGFET将大脑中的电化学电位信号转换成漏极 - 源极电流。在这些方法中,信号检测基于场效应机制,这有助于防止信号失真并降低增益损耗。从理论上讲,这种机制可以延伸到所有活性FET传感器;然而,由于石墨烯的高稳定性和化学惰性,它只在GFET中实现。

这种新的GFET传感阵列由灵活的64通道G-SGFET阵列和无线磁头组成(用于放大并将信号发送到接收器),并来自德国,西班牙和英国的研究人员。传感阵列在自由移动的啮齿动物上测试,用于无线地检测一系列从infra-slow到高伽马频段的皮质脑信号 - 长时间(一次最多24小时)。

传感阵列被开发并测试了证明该技术已达到成熟阶段的方式,即它可以用于长时间的时间,具有高度的精度。该研究通过不仅显示出直接测量的放大能力,还证明了这一点,但它还在红外地形特异性和脑状态不变模式中说明了独特的特征。此外,当啮齿动物经历慢波睡眠(SWS)并且正在进行快速的眼睛运动(REM)睡眠周期时,传感器发现了Infra-Slow信号的差异。

尽管已经为映射脑动力学创建了许多石墨烯传感器阵列,但最近的设备也显示了一种成熟程度,其可以使GFET能够在长时间(并且直接高精度)上使用有效工具来映射蜂鸣器脑动力学。这项研究和随后的调查结果直接影响了该领域。它展示了基于石墨烯的技术如何是我们推进的宽频段神经传感界面最合适的候选者。


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由利亚姆克里奇蒂

利亚姆是一位专门从事化学和纳米技术的科学作家,并报告了与这些学科交叉的广泛区域。作为一名作家,利亚姆与世界各地的公司,媒体网站和协会合作,并发表了超过600篇文章迄今为止。利亚姆也是国家石墨烯协会和纳米技术世界协会咨询委员会的成员,是慈善魅力董事会的成员。在成为作家之前,利亚姆通过纳米技术和化学工程获得了两种硕士学位。

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