Как графен помогает проникнуть в мозг
Полностью прозрачная матрица для микроэлектродов позволяет проводить несколько нейрофизиологических экспериментов одновременно.
Человеческий мозг – необычайно сложная и уникальная система, и для его исследования существует множество методов. Судить об информационных процессах в мозге мы можем либо по изменениям в межнейронных контактах – синапсах, либо по изменениям в кровообращении – работающие участки требуют больше питательных веществ и кислорода; и изучение человеческого мозга, в сущности, сводится к наблюдению за этими двумя типами активности, проявляющимися в ответ на различные раздражители.
Здесь есть неинвазивные способы, например, ультразвуковые исследования, функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и энцефалография, хотя порой нейробиологи вынуждены «залезать в головы» в самом прямом смысле. Различные методы позволяют, среди прочего, больше узнать о том, как работают зрение, обоняние и другие сенсорные системы, детально изучать подробный механизм синдромов Паркинсона и Альцгеймера и, что тоже немаловажно, исследовать механизмы иммунной защиты мозга. Это очень широкомасштабные и сложные задачи, и чем больше информации здесь даёт эксперимент, тем лучше. И инвазивные, и неинвазивные методы активно развиваются благодаря научно-техническому прогрессу и появлению новых материалов со всевозможными свойствами.
Обычно для нейрофизиологических исследований в мозг вживляются специальные матрицы микроэлектродов (то есть много электродов, установленных на общую матрицу), позволяющие детектировать электрический сигнал в нескольких местах сразу. В зависимости от эксперимента такие матрицы имплантируют либо на поверхность мозга, либо вглубь.
У матриц микроэлектродов обычно есть ряд минусов: непрозрачные контакты, ограниченная прозрачность материала в целом и неравномерная пропускающая способность для разных длин волн. Часто они делаются из жёсткого и биологически несовместимого материала, на который мозг реагирует воспалением. В идеале же матрицы должны быть прозрачными в широком диапазоне, чтобы нейроны можно было стимулировать светом разной частоты, от синего (используемого в оптогенетике) до инфракрасного (применяемого в двухфотонной флуоресцентной микроскопии) спектра, гибкими и биосовместимыми. Также желательно, чтобы они были достаточно тонкими – при должной прозрачности это позволяет оптимизировать оптический сбор информации.
Для матричных нейроэлектродов часто используют такие материалы, как оксид индия-титана (ITO) с напылением титана или цирконий. Они пропускают 80% и 60% света соответственно, однако пропускная способность сильно зависит от длины волны, из-за чего сложно совместить несколько методов, использующих для нейростимуляции или детекции ответного сигнала разные длины световых волн.
Американские физики и нейробиологи разработали новые матрицы микроэлектродов на основе графена. Графен представляет собой кристалл из атомов углерода, расположенных в форме пчелиных сот, толщиной в один или несколько атомов – фактически, это двухмерный кристалл. Если составить множество графеновых слоёв в стопку, то мы получим хорошо известный всем графит.
Графен весьма гибок, и в то же время очень прочен для своей толщины. Он так же обладает прозрачностью порядка 90% в спектре от ультрафиолетового до инфракрасного, и прекрасно проводит ток. Понятно, почему многие исследователи активно изучают графен и возможности его использования при создании тонких и гибких электродов.
В своей работе Донг-Вук Пак (Dong-Wook Park) и его коллеги предложили методику по изготовлению графеновых прозрачных матриц микроэлектродов, которые можно использовать в микроэлетрокортикографии (то есть в изучении электрической активности коры головного мозга), в экспериментах по электрофизиологии, во флюоресцентной микроскопии (когда отдельные нейроны «подсвечиваются» специальными флюоресцентными маркерами), в оптогенетике, в исследованиях иммунной системы мозга и т. д.
Матрицы создавали, перенося на специальную гибкую подложку однослойный графен, выращенный методом химического осаждения из пара. При правильно подобранных условиях на медной подложке в определённой атмосфере и при высокой температуре происходит равномерное осаждение атомов углерода с образованием графена высокого качества.
Для надёжности на подложку из парилена (устойчивого к растворителям полимерного диэлектрика) переносили 4 слоя графена (хотя в принципе можно перенести готовый четырёхслойный графен). Такая толщина также даёт оптимальное соотношение прозрачности и электрической проводимости. Получающаяся прозрачная и гибкая матрица микроэлектродов позволяет сделать различные методы изучения мозговой деятельности максимально эффективными. Полностью результаты экспериментов опубликованы в Nature Protocols.
Нейробиологи возлагают большие надежды на своё изобретение: они уверены, что его можно приспособить для самых разных исследований по изучению мозговой активности, а также для создания имплантатов. Кроме того, подобная матрица микроэлектродов пригодится и в экспериментах с клеточными культурами, в которых очень важно следить за ростом клеток.
А если «научить» это устройство электрической стимуляции нейронов, то прозрачные электроды можно адаптировать для изучения мышечной и сердечной активности. Подобные устройства позволяли бы одновременно и выполнять электростимуляцию, и отслеживать активность клеток и органов, и наблюдать за всем процессом с помощью микроскопа.
Почему золото жёлтое?
Чтобы понять, почему к обычному цвету золота не примешиваются никакие другие оттенки, мы должны проанализировать сложные взаимодействия между его электронами.
Роль золота в развитии человеческой цивилизации сложно переоценить. Но сейчас речь пойдёт не об истории товарно-денежного обмена и не о тонкостях ювелирного дела, а о вещах гораздо более простых и одновременно гораздо более сложных – мы попытаемся ответить на вопрос, почему золото желтого цвета.
Во-первых, давайте вспомним, что такое цвет и откуда он берётся. Мы знаем, что свет – это тип электромагнитного излучения, которое переносится фотонами. Энергетический спектр фотонов очень широк, от гамма-лучей и рентгена до микро- и радио-волн, и только небольшая их часть, видимая человеческому глазу, соответствует тому, что мы воспринимаем как свет. Фотоны с разной энергией, с разной длиной волны мы воспринимаем как разные цвета: чем длиннее волна, тем меньше энергия и тем краснее цвет.
Белый цвет – смесь фотонов всего видимого спектра. Мы приписываем объекту определённый цвет, поскольку его поверхность поглощает часть спектра, отражая всё остальное, то есть из общего белого «отфильтровываются» определённые цвета. Иными словами, когда мы видим ярко-зелёный лист, это значит, что поверхность листа поглотила все цвета, кроме зелёного. Конечно, мало что поглощает весь спектр кроме одной конкретной длины волны, и поэтому у цветов мы видим разные оттенки. Если же поглощаются все цвета, то в результате объект нам видится чёрным.
Как происходит поглощение света с физической точки зрения? Не углубляясь в подробности взаимодействия света с веществом, давайте вспомним основные моменты. Всё вокруг состоит из атомов различных химических элементов. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого находятся отрицательно заряженные электроны. В зависимости от химического элемента меняется количество электронов, и чем их больше, тем больше так называемых уровней энергии заполнено: из-за запрета Паули электрон не может находиться в том же месте и с той же энергией, что и другой электрон, и они вынуждены держаться дальше друг от друга, заселяя одну атомную оболочку за другой.
Электроны могут переходить с занятых уровней на свободные, если у них есть на это дополнительная энергия. Например, когда электрон поглощает фотон с энергией, равной «расстоянию» между уровнями, то он может перейти на более высокий уровень или даже в зону проводимости, если энергии фотона достаточно чтобы «оторвать» электрон от атома. Таким образом, электронная структура определяет, какие фотоны поглотятся, а какие – отразятся. Также возможна ситуация, когда электрон возвращается на место, испуская фотон обратно, часто с меньшей энергией, или просто преобразует разницу в энергии в тепло. Именно поэтому свет согревает!
Расчёт электронных свойств атома – всегда сложная задача, особенно для тяжёлых элементов с большим количеством электронов. Помните школьные задачки по электромагнетизму, где нужно было рассчитать кулоновскую силу нескольких точечных зарядов? А теперь представьте, что эти заряды двигаются с околосветовыми скоростями и подчиняются законам квантовой механики, то есть невозможно с точностью определить их положение в пространстве или их скорость. И если для атома водорода такая задача сравнительно проста, то в любом другом химическом элементе мы должны принимать во внимание взаимодействие электронов с кулоновским полем ядра и друг с другом. Физики разработали достаточно эффективные методы для расчёта электронной структуры и для таких сложных случаев, но они весьма трудоёмкие и обычно требуют серьёзных вычислительных мощностей.
Изначально считалось, что релятивистские эффекты не должны оказывать существенного влияния на движение электронов в атоме, но исследования тонкой структуры убедило их в обратном. Оказалось, что чем больше электронов в атоме, тем более существенными оказываются релятивистские поправки к электронной структуре, так что расчёт электронной структуры усложнился ещё сильнее. Раздел науки, который занимается скрупулёзным вычислением электронной структуры различных атомов и их физических и химических свойств, называется релятивистской квантовой химией.
Золото – один из химических элементов, физические свойства которого особенно сильно зависят от релятивистских эффектов. Его 79 электронов занимают атомные оболочки вплоть до шестой, на которой обычно живёт валентный электрон. Из-за спин-орбитального взаимодействия (так называют взаимодействие момента движения электрона с его магнитным моментом) и других релятивистских поправок расстояние между последними заселёнными оболочками атома золота, 5d и 6s, сложно оценить теоретически: обычно предсказанный зазор оказывается больше, чем показывает эксперимент.
Переход 5d–6s соответствует синей части спектра, и в результате золото сильно поглощает синий цвет. Именно поэтому оно видится нам жёлтым. Но если бы теоретики были абсолютно правы, золото было бы более серебристого оттенка, поскольку оно поглощало бы также фиолетовое или ультрафиолетовое излучение. Кроме того, расчёты серьёзно промахиваются мимо правильных значений энергии ионизации (то есть энергии «отрыва» электрона от атома) и энергии сродства (так называются энергия, необходимая для того, чтобы присоединить электрон к атому).
Исследователи из Новой Зеландии, Израиля, Словакии и Голландии под руководством Петера Швердтфегера (Peter Schwerdtfeger) разработали метод сверхточного расчёта электронной структуры для тяжёлых атомов (полностью он описан в статье в журнале Physical Review Letters). Новая модель учитывает релятивистские эффекты, квантовую электродинамику и электронные корреляции, которые включают в себя взаимодействия между электронами высокого порядка.
Если другие способы расчёта учитывают только тройные взаимодействия между тремя электронами – а их в золоте 79! – то в данной работе принимаются во внимания также четверные и пятерные взаимодействия. Более того, новый метод позволяет анализировать структуру и для более тяжёлых атомов, а их, благодаря усилиям физиков-ядерщиков, на сегодняшний день насчитывается уже целых 38. Благодаря этому физики смогли на порядок уменьшить разногласия между теорией и экспериментом, и вопрос «почему золото желтое?» – именно желтое, без каких-то серебристых оттенков – получил, наконец, прочный квантово-химический ответ.
