Les capteurs en graphène peuvent-ils lire les ondes neurales de basse fréquence associées à des états cérébraux distincts ?


Un implant biocompatible à base de graphène mesure et prédit les états du cerveau en toute sécurité.

Capteurs en graphène CVD

Les scientifiques de Graphene Flagship ont mis au point un capteur basé sur le graphène CVD qui détecte les signaux cérébraux dans une large bande de fréquences, des fréquences extrêmement basses aux oscillations de haute fréquence. Ce capteur est biocompatible et pourrait être utilisé pour mesurer et prédire les états du cerveau. En outre, les capteurs en graphène pourraient être utilisés dans des implants chroniques en raison de leur grande stabilité dans le cerveau.

 

L'étude a été menée par des scientifiques de l'Institut catalan de nanoscience et de nanotechnologie (ICN2), de l'Institut de microélectronique de Barcelone (CSIC), du CIBER-BBN et de l'ICREA (Espagne), de l'Université Ludwig-Maximilians (Allemagne) et de l'Université de Manchester (Royaume-Uni), en collaboration avec Multi Channel Systems GmbH (Allemagne), partenaire de Graphene Flagship.

Détection des ondes cérébrales

Le consortium a montré que les capteurs à base de graphène permettent d'accéder à une région de basse fréquence insaisissable de l'activité cérébrale. Les méthodes actuelles de détection des ondes cérébrales utilisent des électrodes métalliques, qui sont inefficaces pour mesurer l'activité à très basse fréquence - connue sous le nom de région "infra-lente". Grâce à la sensibilité du graphène, les scientifiques peuvent désormais recueillir facilement des informations dans cette région et dresser un meilleur tableau de l'activité cérébrale des animaux. Cela pourrait constituer la base de nouveaux types de technologies médicales neurothérapeutiques.

En utilisant une technologie développée par l'ICN2 et l'Institut de microélectronique de Barcelone, dans le cadre des projets européens Graphene Flagship et BrainCom, les scientifiques de Graphene Flagship ont construit un réseau de transistors qui enregistrent et transmettent des informations sur l'activité lorsqu'ils sont implantés dans le cerveau. Le capteur est doté de petits canaux à sa surface : lorsqu'ils entrent en contact avec le tissu cérébral, les signaux électriques présents dans le cerveau provoquent de petits changements de conductivité. Ces changements produisent un signal et sont enregistrés pour créer une "empreinte" de l'activité cérébrale.

"Grâce à notre réseau de dispositifs, basés sur le graphène CVD, nous pouvons enregistrer les signaux de la région infraliminaire avec une très grande précision", explique Jose Garrido, du partenaire Graphene Flagship ICN2, en Espagne. "Dans le cerveau, il existe une corrélation entre les fréquences inférieures et supérieures de l'activité cérébrale, de sorte que les fréquences inférieures ont tendance à dicter l'aspect des fréquences supérieures. Nous avons démontré qu'en mesurant l'activité infra-lente, avec des fréquences inférieures à un dixième de hertz, nous pouvons décoder les 'états cérébraux' d'un animal." M. Garrido pense que cette technologie pourrait déboucher sur de nouveaux traitements des troubles cérébraux tels que l'épilepsie, car certains signaux caractéristiques pourraient révéler des "états cérébraux" susceptibles de provoquer des crises.

Implantation du dispositif

Pour tester le dispositif, ils l'ont implanté dans le cerveau d'un rat au comportement libre, le surveillant en permanence. Les signaux ont été transmis sans fil à l'aide d'une tête électronique miniaturisée mise au point par le partenaire industriel Multichannel Systems. Les scientifiques ont constaté que les caractéristiques des signaux mesurés pendant différents types d'activité cérébrale, comme les périodes d'activité intense ou le sommeil - les "états cérébraux" - correspondaient très bien aux signaux infralents décodés par l'implant à base de graphène.

En outre, Kostas Kostarelos et ses collègues du partenaire Graphene Flagship de l'Université de Manchester, au Royaume-Uni, ont testé la biocompatibilité des dispositifs. Ils n'ont constaté aucune inflammation, autre que celle qui devrait résulter de l'implantation du dispositif, pendant les 12 semaines qu'ont duré leurs tests, et le dispositif ne s'est pas dégradé pendant cette période.

"Il est très remarquable de constater que nous pouvons identifier et corréler correctement les états cérébraux des animaux avec l'activité infra-lente mesurée", déclare M. Garrido. La prochaine étape consistera à explorer les applications commerciales. "Nous collaborons déjà avec des entreprises intéressées par cette technologie et nous avons l'intention d'en faire un produit - et, au-delà, de l'introduire dans les cliniques et les hôpitaux", conclut-il.

Vecteur de nouvelles découvertes

Serge Picaud, chef adjoint du groupe de travail sur les technologies biomédicales du projet Graphene Flagship, commente : "Les nouvelles technologies sont toujours un vecteur de nouvelles découvertes. Dans le cas présent, les capteurs en graphène nous ont permis d'accéder aux ondes cérébrales infra-lentes. Leur enregistrement sur des modèles animaux et des patients démontrera si nous pouvons réellement nous appuyer sur ces nouvelles mesures pour établir des diagnostics précis et des options de traitement chez les patients atteints de maladies cérébrales graves comme l'épilepsie."

Andrea C. Ferrari, responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship et président de son comité de gestion, ajoute : "Le Graphene Flagship a reconnu très tôt le potentiel du graphène et des matériaux stratifiés pour les applications biologiques. Ce travail remarquable nous rapproche des applications dans ce domaine, avec un nouvel outil rendu possible par les propriétés uniques du graphène."