Могут ли графеновые датчики считывать низкочастотные нейронные волны, связанные с различными состояниями мозга?


2021 01 tf50 датчики мозга garrido e1630967075726

Биосовместимый имплантат на основе графена надежно измеряет и предсказывает состояние мозга.

Графеновые сенсоры CVD

Ученые Graphene Flagship разработали датчик на основе CVD-графена, который обнаруживает сигналы мозга в широком диапазоне частот, от крайне низких частот до высокочастотных колебаний. Датчик биосовместим и может быть использован для измерения и прогнозирования состояния мозга. Кроме того, графеновые датчики могут быть использованы в хронических имплантатах благодаря их высокой стабильности в мозге.

 

Исследование проводилось учеными из партнеров Graphene Flagship Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2), Института микроэлектроники Барселоны (CSIC), CIBER-BBN и ICREA, Испания, Университета Людвига-Максимилиана, Германия, и Манчестерского университета, Великобритания, в сотрудничестве с партнером Graphene Flagship компанией Multi Channel Systems GmbH, Германия.

Обнаружение мозговых волн

Консорциум показал, что датчики на основе графена позволяют получить доступ к неуловимой низкочастотной области мозговой активности. Современные методы обнаружения мозговых волн используют металлические электроды, которые неэффективны при измерении очень низкочастотной активности, известной как "инфра-медленная" область. Благодаря чувствительности графена ученые теперь могут легко собрать информацию из этой области и составить более точную картину мозговой активности животных. Это может стать основой для новых видов нейротерапевтических медицинских технологий.

Используя технологию, разработанную ICN2 и Институтом микроэлектроники Барселоны в рамках европейских проектов Graphene Flagship и BrainCom, ученые Graphene Flagship создали массив транзисторов, которые записывают и передают информацию об активности при имплантации в мозг. На поверхности датчика имеются небольшие каналы: когда они соприкасаются с мозговой тканью, электрические сигналы в мозге вызывают небольшие изменения в проводимости. Эти изменения вызывают сигнал и записываются для создания "отпечатка пальца" активности мозга.

"С помощью нашего массива устройств на основе CVD-графена мы можем регистрировать сигналы из инфрамедленной области с очень высокой точностью", - объясняет Хосе Гарридо, партнер Graphene Flagship из ICN2, Испания. "В мозге существует корреляция между низкими и высокими частотами мозговой активности, поэтому низкие частоты, как правило, диктуют то, как выглядят высокие частоты. Мы продемонстрировали, что, измеряя инфрамедленную активность с частотами ниже десятых долей герца, мы можем расшифровать "состояние мозга" животного". Гарридо считает, что эта технология может привести к новым методам лечения таких заболеваний мозга, как эпилепсия, поскольку определенные характерные сигналы могут выявить "состояния мозга", которые могут привести к припадкам.

Имплантация устройства

Для тестирования устройства они имплантировали его в мозг свободно ведущей себя крысы, непрерывно наблюдая за ней. Сигналы передавались по беспроводной связи с помощью миниатюрного электронного головного устройства, разработанного промышленным партнером Multichannel Systems. Ученые обнаружили, что характеристики сигнала, измеренные во время различных типов активности мозга, например, в периоды высокой активности или во время сна - так называемые "состояния мозга" - очень хорошо коррелируют с инфрамедленными сигналами, декодированными имплантатом на основе графена.

Кроме того, Костас Костарелос и его коллеги из партнера Graphene Flagship Манчестерского университета (Великобритания) проверили биосовместимость устройств. Они не обнаружили никаких воспалений, кроме тех, которые ожидаются при имплантации устройства, в течение всех 12 недель испытаний, и устройство не разрушилось за этот период.

"Очень примечательно, что мы можем правильно определить и соотнести состояния мозга животных с измеренной инфрамедленной активностью", - говорит Гарридо. Теперь следующим шагом будет изучение коммерческих применений. "Мы уже сотрудничаем с некоторыми компаниями, заинтересованными в этой технологии, и стремимся воплотить ее в продукт, а затем внедрить в клиниках и больницах", - заключает он.

Вектор для новых открытий

Серж Пико, заместитель руководителя рабочего пакета биомедицинских технологий Graphene Flagship, комментирует: "Новые технологии всегда являются вектором для новых открытий. В данном случае графеновые сенсоры открыли нам доступ к инфрамедленным мозговым волнам. Регистрация их в моделях животных и пациентов покажет, можем ли мы действительно полагаться на эти новые измерения для точной диагностики и вариантов лечения пациентов с такими серьезными заболеваниями мозга, как эпилепсия".

Андреа С. Феррари, директор по науке и технологиям Graphene Flagship и председатель его руководящей группы, добавляет: "Флагманский проект Graphene Flagship уже на раннем этапе признал потенциал графена и слоистых материалов для биологического применения. Эта замечательная работа приближает нас к применению в этой области, с новым инструментом, созданным благодаря уникальным свойствам графена".