Können Graphen-Sensoren niederfrequente neuronale Wellen lesen, die mit bestimmten Gehirnzuständen verbunden sind?


Biokompatibles Implantat auf Graphenbasis misst und prognostiziert sicher Gehirnzustände.

CVD-Graphen-Sensoren

Graphene-Flagship-Wissenschaftler haben einen Sensor auf der Grundlage von CVD-Graphen entwickelt, der Gehirnsignale in einem breiten Frequenzband, von extrem niedrigen Frequenzen bis hin zu hochfrequenten Schwingungen, erfasst. Der Sensor ist biokompatibel und könnte zur Messung und Vorhersage von Gehirnzuständen verwendet werden. Außerdem könnten die Graphen-Sensoren aufgrund ihrer hohen Stabilität im Gehirn in chronischen Implantaten verwendet werden.


Die Studie wurde von Wissenschaftlern der Graphene-Flagship-Partner Katalanisches Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (ICN2), Institut für Mikroelektronik von Barcelona (CSIC), CIBER-BBN und ICREA, Spanien, Ludwig-Maximilians-Universität, Deutschland, und Universität Manchester, Großbritannien, in Zusammenarbeit mit dem Graphene-Flagship-Partner Multi Channel Systems GmbH, Deutschland, durchgeführt.

Erkennung von Hirnströmen

Das Konsortium hat gezeigt, dass Sensoren auf Graphenbasis Zugang zu einem schwer fassbaren niederfrequenten Bereich der Hirnaktivität gewähren. Bei den derzeitigen Methoden zur Erkennung von Gehirnwellen werden Metallelektroden verwendet, die bei der Messung sehr niedriger Frequenzen - der sogenannten "Infra-Slow"-Region - unwirksam sind. Dank der Empfindlichkeit von Graphen können Wissenschaftler nun problemlos Informationen aus diesem Bereich sammeln und ein besseres Bild der Gehirnaktivität von Tieren zeichnen. Dies könnte die Grundlage für neue Arten von neurotherapeutischer Medizintechnik bilden.

Mit Hilfe einer Technologie, die vom ICN2 und dem Institut für Mikroelektronik in Barcelona im Rahmen der europäischen Projekte Graphene Flagship und BrainCom entwickelt wurde, haben die Wissenschaftler von Graphene Flagship eine Reihe von Transistoren gebaut, die Aktivitätsinformationen aufzeichnen und übertragen, wenn sie ins Gehirn implantiert werden. Der Sensor hat kleine Kanäle auf der Oberfläche: Wenn sie mit Hirngewebe in Berührung kommen, verursachen die elektrischen Signale im Gehirn kleine Änderungen der Leitfähigkeit. Diese Veränderungen erzeugen ein Signal und werden aufgezeichnet, um einen "Fingerabdruck" der Gehirnaktivität zu erstellen.

"Mit unserer Reihe von Geräten, die auf CVD-Graphen basieren, können wir Signale aus dem infraroten Bereich mit sehr hoher Genauigkeit aufzeichnen", erklärt Jose Garrido vom Graphene Flagship-Partner ICN2, Spanien. "Im Gehirn gibt es eine Korrelation zwischen niedrigeren und höheren Frequenzen der Hirnaktivität, so dass die niedrigeren Frequenzen tendenziell vorgeben, wie die höheren Frequenzen aussehen. Wir haben gezeigt, dass wir durch die Messung der langsamen Aktivität mit Frequenzen unter einem Zehntel Hertz die 'Gehirnzustände' eines Tieres entschlüsseln können." Garrido glaubt, dass diese Technologie zu neuen Behandlungsmöglichkeiten für Hirnkrankheiten wie Epilepsie führen könnte, da bestimmte charakteristische Signalmuster "Hirnzustände" aufzeigen könnten, die wahrscheinlich zu Anfällen führen.

Die Implantation des Geräts

Um das Gerät zu testen, implantierten sie es in das Gehirn einer sich frei verhaltenden Ratte und überwachten es kontinuierlich. Die Signale wurden drahtlos über eine miniaturisierte elektronische Kopfbühne übertragen, die von dem Industriepartner Multichannel Systems entwickelt wurde. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Signalcharakteristiken, die während verschiedener Arten von Hirnaktivität gemessen wurden, wie z. B. während Perioden hoher Aktivität oder während des Schlafs - die so genannten "Hirnzustände" - sehr gut mit den von dem Graphen-basierten Implantat dekodierten Infrarot-Signalen korrelierten.

Darüber hinaus haben Kostas Kostarelos und seine Kollegen vom Graphene-Flagship-Partner, der University of Manchester (Vereinigtes Königreich), die Biokompatibilität der Geräte getestet. Sie stellten während der gesamten 12-wöchigen Testdauer keine Entzündungen fest, die nicht durch die Implantation des Geräts verursacht wurden, und das Gerät wurde in diesem Zeitraum nicht abgebaut.

"Es ist sehr bemerkenswert zu sehen, dass wir die Gehirnzustände der Tiere richtig identifizieren und mit der gemessenen Infrarotaktivität korrelieren können", sagt Garrido. Der nächste Schritt wird nun die Erforschung kommerzieller Anwendungen sein. "Wir arbeiten bereits mit einigen Unternehmen zusammen, die an dieser Technologie interessiert sind, und wir wollen sie in ein Produkt umsetzen - und darüber hinaus in Kliniken und Krankenhäuser bringen", schließt er.

Vektor für neue Entdeckungen

Serge Picaud, stellvertretender Leiter des Arbeitspakets Biomedizinische Technologien des Graphen-Flaggschiffs, kommentiert: "Neuartige Technologien sind immer ein Wegbereiter für neue Entdeckungen. In diesem Fall haben uns die Graphen-Sensoren Zugang zu den langsamen Gehirnwellen verschafft. Deren Aufzeichnung in Tiermodellen und bei Patienten wird zeigen, ob wir uns auf diese neuen Messungen tatsächlich verlassen können, um präzise Diagnosen und Behandlungsmöglichkeiten für Patienten mit schweren Hirnerkrankungen wie Epilepsie zu finden."

Andrea C. Ferrari, Wissenschafts- und Technologiebeauftragter des Graphen-Flaggschiffs und Vorsitzender des Verwaltungsgremiums, fügt hinzu: "Das Graphen-Flaggschiff hat das Potenzial von Graphen und geschichteten Materialien für biologische Anwendungen schon früh erkannt. Diese bemerkenswerte Arbeit bringt uns den Anwendungen in diesem Bereich mit einem neuartigen Werkzeug näher, das durch die einzigartigen Eigenschaften von Graphen ermöglicht wird."