¿Pueden los sensores de grafeno leer las ondas neuronales de baja frecuencia asociadas a distintos estados cerebrales?


Un implante biocompatible basado en el grafeno mide y predice con seguridad los estados del cerebro.

Sensores de grafeno CVD

Los científicos de Graphene Flagship han desarrollado un sensor basado en grafeno CVD que detecta señales cerebrales en una amplia banda de frecuencias, desde frecuencias extremadamente bajas hasta oscilaciones de alta frecuencia. El sensor es biocompatible y podría utilizarse para medir y predecir estados cerebrales. Además, los sensores de grafeno podrían utilizarse en implantes crónicos gracias a su gran estabilidad en el cerebro.

 

El estudio ha sido realizado por científicos de los socios de Graphene Flagship, el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CSIC), CIBER-BBN e ICREA, España, la Universidad Ludwig-Maximilians, Alemania, y la Universidad de Manchester, Reino Unido, en colaboración con el socio de Graphene Flagship Multi Channel Systems GmbH, Alemania.

Detección de ondas cerebrales

El consorcio ha demostrado que los sensores basados en el grafeno permiten acceder a una región de baja frecuencia de la actividad cerebral. Los métodos actuales para detectar las ondas cerebrales utilizan electrodos metálicos, que son ineficaces para medir la actividad de muy baja frecuencia, conocida como región "infralenta". Gracias a la sensibilidad del grafeno, los científicos pueden ahora recopilar fácilmente información de esta región y obtener una mejor imagen de la actividad cerebral de los animales. Esto podría constituir la base de nuevos tipos de tecnología médica neuroterapéutica.

Utilizando una tecnología desarrollada por el ICN2 y el Instituto de Microelectrónica de Barcelona, en el marco de los proyectos europeos Graphene Flagship y BrainCom, los científicos de Graphene Flagship construyeron una matriz de transistores que registran y transmiten información de actividad cuando se implantan en el cerebro. El sensor tiene pequeños canales en la superficie: cuando entran en contacto con el tejido cerebral, las señales eléctricas dentro del cerebro provocan pequeños cambios de conductividad. Estos cambios producen una señal y se registran para crear una "huella digital" de la actividad cerebral.

"Con nuestro conjunto de dispositivos, basados en el grafeno CVD, podemos registrar señales de la región infralenta con una precisión muy alta", explica José Garrido, del socio de Graphene Flagship ICN2, en España. "En el cerebro, existe una correlación entre las frecuencias más bajas y las más altas de la actividad cerebral, por lo que las frecuencias más bajas tienden a dictar el aspecto de las frecuencias más altas. Demostramos que, midiendo la actividad infralenta, con frecuencias inferiores a una décima de hercio, podemos decodificar los 'estados cerebrales' de un animal". Garrido cree que esta tecnología podría conducir a nuevos tratamientos para trastornos cerebrales como la epilepsia, ya que ciertos patrones de señales característicos podrían revelar "estados cerebrales" susceptibles de provocar convulsiones.

Implantación del dispositivo

Para probar el dispositivo, lo implantaron en el cerebro de una rata que se comportaba libremente, monitorizándolo continuamente. Las señales se transmitieron de forma inalámbrica mediante un cabezal electrónico miniaturizado desarrollado por el socio industrial Multichannel Systems. Los científicos comprobaron que las características de la señal medida durante distintos tipos de actividad cerebral, como los periodos de gran actividad o durante el sueño -los llamados "estados cerebrales"-, se correlacionaban muy bien con las señales infra-lentas descodificadas por el implante basado en grafeno.

Además, Kostas Kostarelos y sus colegas de la Universidad de Manchester (Reino Unido), socio de Graphene Flagship, comprobaron la biocompatibilidad de los dispositivos. No encontraron ninguna inflamación, aparte de la que se espera que se produzca por la implantación del dispositivo, a lo largo de las 12 semanas que duraron sus pruebas, y el dispositivo no se degradó durante este periodo.

"Es muy destacable ver que podemos identificar y correlacionar adecuadamente los estados cerebrales de los animales con la actividad infrarroja medida", afirma Garrido. Ahora, el siguiente paso será explorar las aplicaciones comerciales. "Ya estamos colaborando con algunas empresas interesadas en esta tecnología, y nuestro objetivo es convertirla en un producto y, además, llevarla a clínicas y hospitales", concluye.

Vector de nuevos descubrimientos

Serge Picaud, director adjunto del paquete de trabajo sobre tecnologías biomédicas de la iniciativa insignia del grafeno, comenta: "Las nuevas tecnologías son siempre un vector de nuevos descubrimientos. En este caso, los sensores de grafeno nos han permitido acceder a las ondas cerebrales infrarrojas. El registro de las mismas en modelos animales y en pacientes demostrará si realmente podemos confiar en estas nuevas mediciones para obtener diagnósticos precisos y opciones de tratamiento en pacientes con enfermedades cerebrales graves como la epilepsia."

Andrea C. Ferrari, responsable de ciencia y tecnología de la Iniciativa emblemática del grafeno y presidente de su panel de gestión, añade: "La Graphene Flagship reconoció muy pronto el potencial del grafeno y los materiales en capas para las aplicaciones biológicas. Este notable trabajo nos acerca a las aplicaciones en este ámbito, con una herramienta novedosa que permite las propiedades únicas del grafeno."