Czy czujniki grafenowe mogą odczytywać fale neuronowe o niskiej częstotliwości związane z odmiennymi stanami mózgu?


Biokompatybilny implant na bazie grafenu bezpiecznie mierzy i przewiduje stany mózgu.

Czujniki grafenowe CVD

Naukowcy z Graphene Flagship opracowali czujnik oparty na grafenie CVD, który wykrywa sygnały mózgowe w szerokim paśmie częstotliwości, od ekstremalnie niskich częstotliwości do wysokoczęstotliwościowych oscylacji. Czujnik jest biokompatybilny i może być wykorzystany do pomiaru i przewidywania stanów mózgu. Ponadto, czujniki grafenowe mogłyby być stosowane w implantach przewlekłych ze względu na ich wysoką stabilność w mózgu.

 

Badanie zostało przeprowadzone przez naukowców z Graphene Flagship partnerzy Kataloński Instytut Nanonauki i Nanotechnologii (ICN2), Instytut Mikroelektroniki w Barcelonie (CSIC), CIBER-BBN i ICREA, Hiszpania, Ludwig-Maximilians University, Niemcy, i University of Manchester, Wielka Brytania, we współpracy z Graphene Flagship partner Multi Channel Systems GmbH, Niemcy.

Wykrywanie fal mózgowych

Konsorcjum wykazało, że czujniki oparte na grafenie umożliwiają dostęp do nieuchwytnego obszaru aktywności mózgu o niskiej częstotliwości. Obecne metody wykrywania fal mózgowych wykorzystują metaliczne elektrody, które są nieefektywne w pomiarze aktywności o bardzo niskiej częstotliwości - znanej jako obszar "infra-slow". Dzięki czułości grafenu, naukowcy mogą teraz z łatwością zbierać informacje z tego obszaru i tworzyć lepszy obraz aktywności mózgu zwierząt. Może to stanowić podstawę dla nowych rodzajów neuroterapeutycznych technologii medycznych.

Wykorzystując technologię opracowaną przez ICN2 i Instytut Mikroelektroniki w Barcelonie, w ramach europejskich projektów Graphene Flagship i BrainCom, naukowcy z Graphene Flagship zbudowali układ tranzystorów, które po wszczepieniu do mózgu rejestrują i przekazują informacje o aktywności. Czujnik ma na powierzchni małe kanały: kiedy stykają się one z tkanką mózgową, sygnały elektryczne w mózgu powodują niewielkie zmiany w przewodnictwie. Zmiany te wytwarzają sygnał i są rejestrowane w celu stworzenia "odcisku palca" aktywności mózgu.

"Dzięki naszemu zestawowi urządzeń, opartych na grafenie CVD, możemy rejestrować sygnały z obszaru podczerwieni z bardzo wysoką dokładnością" - wyjaśnia Jose Garrido z ICN2, hiszpańskiego partnera Graphene Flagship. "W mózgu istnieje korelacja pomiędzy niższymi i wyższymi częstotliwościami aktywności mózgu, więc niższe częstotliwości mają tendencję do dyktowania tego, jak wyglądają wyższe częstotliwości. Wykazaliśmy, że mierząc aktywność w podczerwieni, o częstotliwościach poniżej dziesiątej części herca, możemy zdekodować "stany mózgu" zwierzęcia." Garrido uważa, że ta technologia może prowadzić do nowych metod leczenia zaburzeń mózgu, takich jak padaczka, ponieważ pewne charakterystyczne wzorce sygnałów mogą ujawnić 'stany mózgu' mogące prowadzić do napadów.

Implantacja urządzenia

Aby przetestować urządzenie, wszczepiono je do mózgu swobodnie zachowującego się szczura, monitorując je w sposób ciągły. Sygnały były przesyłane bezprzewodowo za pomocą zminiaturyzowanej elektronicznej głowicy opracowanej przez partnera przemysłowego Multichannel Systems. Naukowcy odkryli, że charakterystyka sygnałów mierzonych podczas różnych rodzajów aktywności mózgu, takich jak okresy wysokiej aktywności lub podczas snu - tak zwane "stany mózgu" - bardzo dobrze koreluje z sygnałami infra-slow dekodowanymi przez implant oparty na grafenie.

Co więcej, Kostas Kostarelos i współpracownicy z Graphene Flagship partner University of Manchester, UK, przetestowali biokompatybilność urządzeń. Przez cały okres 12 tygodni trwania testów nie stwierdzili żadnych stanów zapalnych, poza tymi, których można się spodziewać po wszczepieniu urządzenia, a samo urządzenie nie uległo w tym czasie degradacji.

"To bardzo niezwykłe, że jesteśmy w stanie prawidłowo zidentyfikować i skorelować stany mózgu zwierząt z mierzoną aktywnością w podczerwieni" - mówi Garrido. Teraz następnym krokiem będzie zbadanie zastosowań komercyjnych. "Współpracujemy już z kilkoma firmami zainteresowanymi tą technologią i zamierzamy przełożyć ją na produkt, a następnie wprowadzić do klinik i szpitali" - podsumowuje.

Wektor nowych odkryć

Serge Picaud, zastępca lidera pakietu roboczego Graphene Flagship's Biomedical Technologies, komentuje: "Nowe technologie są zawsze wektorem nowych odkryć. W tym przypadku sensory grafenowe umożliwiły nam dostęp do infra-wolnych fal mózgowych. Rejestrowanie ich w modelach zwierzęcych i u pacjentów pokaże, czy rzeczywiście możemy polegać na tych nowych pomiarach w celu precyzyjnej diagnostyki i możliwości leczenia u pacjentów z poważnymi chorobami mózgu, takimi jak padaczka."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer of the Graphene Flagship i przewodnicząca jego panelu zarządzającego, dodaje: "Graphene Flagship wcześnie rozpoznał potencjał grafenu i materiałów warstwowych dla zastosowań biologicznych. Ta niezwykła praca przybliża nas do zastosowań w tej dziedzinie, dzięki nowatorskiemu narzędziu możliwemu dzięki unikalnym właściwościom grafenu."