El implante biocompatible basdo en grafeno mide y predice de forma segura los estados cerebrales
Los científicos de Graphene Flagship han desarrollado un sensor basado en grafeno CVD que detecta señales cerebrales en una amplia banda de frecuencia, desde frecuencias extremadamente bajas hasta oscilaciones de alta frecuencia. El sensor es biocompatible y podría usarse para medir y predecir estados cerebrales. Además, los sensores de grafeno podrían usarse en implantes crónicos debido a su alta estabilidad en el cerebro.
El estudio fue realizado por científicos de Graphene Flagship partners: el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CSIC), CIBER-BBN e ICREA, España, la Universidad Ludwig-Maximilians, Alemania, y la Universidad de Manchester. , Reino Unido, en colaboración con el socio insignia de Graphene, Multi Channel Systems GmbH , Alemania.
El consorcio demostró que los sensores basados en grafeno otorgan acceso a una elusiva región de baja frecuencia de la actividad cerebral. Los métodos actuales para detectar ondas cerebrales utilizan electrodos metálicos, que son ineficaces para medir la actividad de muy baja frecuencia, conocida como región 'infra-lenta'. Gracias a la sensibilidad del grafeno, los científicos ahora pueden recopilar fácilmente información de esta región y pintar una mejor imagen de la actividad cerebral de los animales. Esto podría constituir la base de nuevos tipos de tecnología médica neuroterapéutica.
Utilizando una tecnología desarrollada por ICN2 y el Instituto de Microelectrónica de Barcelona, en el marco de los proyectos europeos Graphene Flagship y BrainCom, los científicos de Graphene Flagship construyeron una serie de transistores que registran y transmiten información de actividad cuando se implantan en el cerebro. El sensor tiene pequeños canales en la superficie: cuando entran en contacto con el tejido cerebral, las señales eléctricas dentro del cerebro provocan pequeños cambios en la conductividad. Estos cambios producen una señal y se registran para crear una "huella digital" de actividad cerebral.
“Con nuestra gama de dispositivos, basados en grafeno CVD, podemos registrar señales de la región infra-lenta con una precisión muy alta”, explica José Garrido, del socio insignia de Graphene ICN2, España. “En el cerebro, existe una correlación entre las frecuencias más bajas y más altas de la actividad cerebral, por lo que las frecuencias más bajas tienden a dictar cómo se ven las frecuencias más altas. Demostramos que, midiendo la actividad infra-lenta, con frecuencias por debajo de una décima de hercio, podemos decodificar los 'estados cerebrales' de un animal ”. Garrido cree que esta tecnología podría conducir a nuevos tratamientos para trastornos cerebrales como la epilepsia, ya que ciertos patrones de señales característicos podrían revelar 'estados cerebrales' que probablemente conduzcan a convulsiones.
Para probar el dispositivo, lo implantaron en el cerebro de una rata que se comportaba libremente, monitoreándolo continuamente. Las señales se transmitieron de forma inalámbrica utilizando un escenario electrónico en miniatura desarrollado por el socio industrial Multichannel Systems. Los científicos encontraron que las características de la señal medidas durante diferentes tipos de actividad cerebral, como durante los períodos de alta actividad o durante el sueño, los llamados 'estados cerebrales', se correlacionaban muy bien con las señales infrarrojas decodificadas por el grafeno. implante.
Además, Kostas Kostarelos y sus colegas del socio insignia de Graphene, la Universidad de Manchester, Reino Unido, probaron la biocompatibilidad de los dispositivos. No encontraron ninguna inflamación, aparte de la que se esperaba que ocurriera a partir de la implantación del dispositivo, durante las 12 semanas de duración de sus pruebas, y el dispositivo no se degradó durante este período.
“Es muy notable ver que podemos identificar y correlacionar correctamente los estados cerebrales de los animales con la actividad infra-lenta medida”, dice Garrido. Ahora, el siguiente paso será explorar aplicaciones comerciales. “Ya estamos colaborando con algunas empresas interesadas en esta tecnología y nuestro objetivo es traducirlo en un producto y, más allá, llevarlo a clínicas y hospitales”, concluye.
Serge Picaud, director adjunto del paquete de trabajo de tecnologías biomédicas de Graphene Flagship, comenta: “Las nuevas tecnologías son siempre un vector de nuevos descubrimientos. En este caso, los sensores de grafeno nos han dado acceso a las ondas cerebrales infra-lentas. Registrarlos en modelos animales y pacientes demostrará si realmente podemos confiar en estas nuevas medidas para diagnósticos precisos y opciones de tratamiento en pacientes con enfermedades cerebrales graves como la epilepsia ”.
Andrea C. Ferrari, oficial de ciencia y tecnología del Graphene Flagship y presidente de su panel de administración, agrega: “El Graphene Flagship reconoció el potencial del grafeno y los materiales en capas para aplicaciones biológicas desde el principio. Este notable trabajo nos acerca a las aplicaciones en esta área, con una herramienta novedosa habilitada por las propiedades únicas del grafeno ”.
Referencias
García-Cortadella, Ramon, et al. " Arreglos de sensores activos de grafeno para el mapeo inalámbrico ya largo plazo de la actividad cerebral epicortical de banda ancha de frecuencia ". Comunicaciones sobre la naturaleza 12.1 (2021): 1-17.
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