I sensori di grafene possono leggere le onde neurali a bassa frequenza associate a stati cerebrali distinti?


Impianto biocompatibile basato sul grafene misura e predice in modo sicuro gli stati del cervello.

Sensori di grafene CVD

Gli scienziati di Graphene Flagship hanno sviluppato un sensore basato sul grafene CVD che rileva i segnali del cervello in un'ampia banda di frequenza, da frequenze estremamente basse a oscillazioni ad alta frequenza. Il sensore è biocompatibile e potrebbe essere usato per misurare e prevedere gli stati del cervello. Inoltre, i sensori di grafene potrebbero essere utilizzati in impianti cronici grazie alla loro elevata stabilità nel cervello.


Lo studio è stato condotto dagli scienziati dei partner di Graphene Flagship, l'Istituto Catalano di Nanoscienza e Nanotecnologia (ICN2), l'Istituto di Microelettronica di Barcellona (CSIC), CIBER-BBN e ICREA, Spagna, l'Università Ludwig-Maximilians, Germania, e l'Università di Manchester, Regno Unito, in collaborazione con Graphene Flagship partner Multi Channel Systems GmbH, Germania.

Rilevamento delle onde cerebrali

Il consorzio ha dimostrato che i sensori basati sul grafene garantiscono l'accesso a una sfuggente regione a bassa frequenza dell'attività cerebrale. I metodi attuali per rilevare le onde cerebrali usano elettrodi metallici, che sono inefficaci nel misurare l'attività a frequenza molto bassa - conosciuta come la regione "infra-lenta". Grazie alla sensibilità del grafene, gli scienziati possono ora facilmente raccogliere informazioni da questa regione e dipingere un quadro migliore dell'attività cerebrale degli animali. Questo potrebbe costituire la base per nuovi tipi di tecnologia medica neuroterapeutica.

Utilizzando una tecnologia sviluppata dall'ICN2 e dall'Istituto di Microelettronica di Barcellona, nel quadro dei progetti europei Graphene Flagship e BrainCom, gli scienziati di Graphene Flagship hanno costruito un array di transistor che registrano e trasmettono informazioni sull'attività quando vengono impiantati nel cervello. Il sensore ha piccoli canali sulla superficie: quando entrano in contatto con il tessuto cerebrale, i segnali elettrici all'interno del cervello causano piccoli cambiamenti nella conduttività. Questi cambiamenti producono un segnale e vengono registrati per creare una "impronta digitale" dell'attività cerebrale.

"Con la nostra serie di dispositivi, basati sul grafene CVD, possiamo registrare i segnali della regione infra-lenta con una precisione molto elevata", spiega Jose Garrido, del partner di Graphene Flagship ICN2, Spagna. "Nel cervello, c'è una correlazione tra le frequenze inferiori e superiori dell'attività cerebrale, quindi le frequenze inferiori tendono a dettare l'aspetto delle frequenze superiori. Abbiamo dimostrato che, misurando l'attività infra-lenta, con frequenze inferiori a un decimo di hertz, possiamo decodificare gli 'stati cerebrali' di un animale". Garrido ritiene che questa tecnologia potrebbe portare a nuovi trattamenti per i disturbi cerebrali come l'epilessia, in quanto alcuni modelli di segnale caratteristici potrebbero rivelare "stati cerebrali" che potrebbero portare a crisi.

Impianto del dispositivo

Per testare il dispositivo, lo hanno impiantato nel cervello di un ratto dal comportamento libero, monitorandolo continuamente. I segnali sono stati trasmessi senza fili utilizzando un headstage elettronico miniaturizzato sviluppato dal partner industriale Multichannel Systems. Gli scienziati hanno scoperto che le caratteristiche del segnale misurate durante diversi tipi di attività cerebrale, come durante i periodi di alta attività o durante il sonno - i cosiddetti 'stati cerebrali' - si correlavano molto bene ai segnali infra-lenti decodificati dall'impianto basato sul grafene.

Inoltre, Kostas Kostarelos e colleghi del partner Graphene Flagship dell'Università di Manchester, Regno Unito, hanno testato la biocompatibilità dei dispositivi. Non hanno trovato alcuna infiammazione, oltre a quella prevista per l'impianto del dispositivo, per l'intera durata di 12 settimane dei loro test, e il dispositivo non si è degradato durante questo periodo.

"È molto notevole vedere che possiamo identificare e correlare correttamente gli stati cerebrali degli animali con l'attività infra-lenta misurata", dice Garrido. Ora, il prossimo passo sarà quello di esplorare applicazioni commerciali. "Stiamo già collaborando con alcune aziende interessate a questa tecnologia, e puntiamo a tradurla in un prodotto - e, oltre a questo, portarla in cliniche e ospedali", conclude.

Vettore di nuove scoperte

Serge Picaud, vice leader del pacchetto di lavoro sulle tecnologie biomediche della Graphene Flagship, commenta: "Le nuove tecnologie sono sempre un vettore di nuove scoperte. In questo caso, i sensori di grafene ci hanno permesso di accedere alle onde cerebrali infra-lente. Registrarle in modelli animali e in pazienti dimostrerà se possiamo effettivamente fare affidamento su queste nuove misurazioni per diagnosi precise e opzioni di trattamento in pazienti con gravi malattie cerebrali come l'epilessia".

Andrea C. Ferrari, responsabile scientifico e tecnologico della Graphene Flagship e presidente del suo comitato di gestione, aggiunge: "La Graphene Flagship ha riconosciuto presto il potenziale del grafene e dei materiali stratificati per applicazioni biologiche. Questo notevole lavoro ci avvicina alle applicazioni in questo settore, con un nuovo strumento abilitato dalle proprietà uniche del grafene".