Le graphène peut-il entendre le murmure de votre cerveau ?


L'ensemble des connaissances sur le cerveau humain ne cesse de croître, mais de nombreuses questions restent sans réponse. Depuis des décennies, les chercheurs utilisent des réseaux d'électrodes pour enregistrer l'activité électrique du cerveau. Ils cartographient l'activité dans différentes régions du cerveau pour comprendre à quoi ressemble le cerveau lorsque tout fonctionne et ce qui se passe lorsque ce n'est pas le cas.

Technologie basée sur le graphène

Jusqu'à présent, toutefois, ces réseaux n'étaient capables de détecter l'activité qu'au-delà d'un certain seuil de fréquence. Une nouvelle technologie mise au point par le programme phare sur le graphène permet de surmonter cette limite technique et d'exploiter la richesse des informations situées en dessous de 0,1 Hz, tout en ouvrant la voie aux futures interfaces cerveau-ordinateur.

Le nouveau dispositif a été mis au point grâce à une collaboration entre trois partenaires du programme phare sur le graphène (IMB-CNM, ICN2 et ICFO) et adapté aux enregistrements cérébraux en collaboration avec des experts biomédicaux de l'IDIBAPS. Cette nouvelle technologie s'éloigne des électrodes et utilise une architecture innovante à base de transistors qui amplifie les signaux du cerveau in situ avant de les transmettre à un récepteur.

L'utilisation du graphène pour construire cette nouvelle architecture signifie que l'implant résultant peut supporter beaucoup plus de sites d'enregistrement qu'un réseau d'électrodes standard. Il est suffisamment fin et flexible pour être utilisé sur de larges zones du cortex sans être rejeté ou interférer avec le fonctionnement normal du cerveau. Le résultat est une cartographie sans précédent de l'activité cérébrale à basse fréquence, connue pour être porteuse d'informations cruciales sur différents événements, tels que l'apparition et la progression des crises d'épilepsie et des accidents vasculaires cérébraux.

Pour les neurologues, cela signifie qu'ils ont enfin accès à certains indices que notre cerveau ne fait que chuchoter. Cette technologie révolutionnaire pourrait changer la façon dont nous enregistrons et visualisons l'activité électrique du cerveau. Les applications futures donneront un aperçu sans précédent de l'endroit et de la manière dont les crises commencent et se terminent, permettant ainsi de nouvelles approches du diagnostic et du traitement de l'épilepsie.

"Au-delà de l'épilepsie, cette cartographie précise et cette interaction avec le cerveau ont d'autres applications passionnantes", explique José Antonio Garrido, l'un des responsables de l'étude, qui travaille chez ICN2, partenaire phare de Graphene. "Contrairement aux électrodes passives standard courantes, notre technologie de transistors actifs à base de graphène stimulera la mise en œuvre de nouvelles stratégies de multiplexage susceptibles d'augmenter considérablement le nombre de sites d'enregistrement dans le cerveau, ce qui conduira au développement d'une nouvelle génération d'interfaces cerveau-ordinateur."

Tirant parti du "multiplexage", cette technologie basée sur le graphène peut également être adaptée par certains des mêmes chercheurs pour rétablir la parole et la communication. L'ICN2 a obtenu cette technologie grâce à un brevet qui protège l'utilisation de transistors à base de graphène pour mesurer les signaux neuronaux à basse fréquence.

"Ce travail est un excellent exemple de la manière dont une technologie flexible de réseaux de transistors à base de graphène peut offrir des capacités allant au-delà de ce qui est réalisable aujourd'hui, et ouvrir des possibilités considérables pour la lecture de fréquences inexplorées de l'activité neurologique", a noté Kostas Kostarelos, chef de la division Santé, médecine et capteurs du programme phare sur le graphène.

Andrea C. Ferrari, responsable de la science et de la technologie du projet Graphene Flagship et présidente de son comité de gestion, a ajouté que :

"Le graphène et les matériaux connexes offrent des possibilités importantes pour les applications biomédicales. Le Graphene Flagship l'a reconnu en finançant un Work Package dédié. Les résultats de cette étude démontrent clairement que le graphène peut apporter des progrès sans précédent à l'étude des processus cérébraux."

Cette nouvelle technologie sera l'une des principales attractions du Pavillon du graphène lors du prochain Mobile World Congress de Barcelone (25-28 février 2019). L'exposition présentera les dernières innovations sur le graphène et les matériaux connexes rendues possibles par le Graphene Flagship, l'une des plus grandes initiatives de recherche jamais financées par la Commission européenne.

Au-delà des applications dans le domaine de la santé et des dispositifs médicaux, le pavillon sera peuplé de nouveaux prototypes de technologies basées sur le graphène pour les communications mobiles et de données, les "wearables" et l'internet des objets.