Grafen har vist sig at interagere sikkert med neuroner i hjernen

Forskere har med succes demonstreret, hvordan det er muligt at forbinde grafen - en todimensionel form for kulstof - med neuroner, eller nerveceller, og samtidig bevare integriteten af ​​disse vitale celler. Arbejdet kan bruges til at bygge grafenbaserede elektroder, der sikkert kan implanteres i hjernen, giver løfte om genoprettelse af sensoriske funktioner for amputerede eller lammede patienter, eller for personer med motoriske lidelser såsom epilepsi eller Parkinsons sygdom.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , var et tværfagligt samarbejde koordineret af University of Trieste i Italien og Cambridge Graphene Centre.

Tidligere, andre grupper havde vist, at det er muligt at bruge behandlet grafen til at interagere med neuroner. Imidlertid var signal-støjforholdet fra denne grænseflade meget lavt. Ved at udvikle metoder til at arbejde med ubehandlet grafen, forskerne bevarede materialets elektriske ledningsevne, gør det til en væsentlig bedre elektrode.

"For første gang koblede vi grafen direkte til neuroner, " sagde professor Laura Ballerini fra University of Trieste i Italien. "Vi testede derefter neuronernes evne til at generere elektriske signaler, der vides at repræsentere hjerneaktiviteter, og fandt ud af, at neuronerne bibeholdt deres neuronale signalegenskaber uændret. Dette er den første funktionelle undersøgelse af neuronal synaptisk aktivitet ved hjælp af ubelagte grafenbaserede materialer."

Vores forståelse af hjernen er steget i en sådan grad, at vi ved at interface direkte mellem hjernen og omverdenen nu kan udnytte og kontrollere nogle af dens funktioner. For eksempel, ved at måle hjernens elektriske impulser, sensoriske funktioner kan genvindes. Dette kan bruges til at styre robotarme til amputerede patienter eller en række grundlæggende processer for lammede patienter - fra tale til bevægelse af objekter i verden omkring dem. Alternativt ved at forstyrre disse elektriske impulser, motoriske lidelser (såsom epilepsi eller Parkinsons) kan begynde at blive kontrolleret.

Forskere har gjort dette muligt ved at udvikle elektroder, der kan placeres dybt inde i hjernen. Disse elektroder forbinder direkte til neuroner og sender deres elektriske signaler væk fra kroppen, tillader deres betydning at blive afkodet.

Imidlertid, grænsefladen mellem neuroner og elektroder har ofte været problematisk:ikke kun skal elektroderne være meget følsomme over for elektriske impulser, men de skal være stabile i kroppen uden at ændre det væv, de måler.

Alt for ofte lider de moderne elektroder, der bruges til denne grænseflade (baseret på wolfram eller silicium), af delvist eller fuldstændigt tab af signal over tid. Dette er ofte forårsaget af dannelsen af ​​arvæv fra elektrodeindsættelsen, som forhindrer elektroden i at bevæge sig med hjernens naturlige bevægelser på grund af dens stive natur.

Grafen har vist sig at være et lovende materiale til at løse disse problemer, på grund af sin fremragende ledningsevne, fleksibilitet, biokompatibilitet og stabilitet i kroppen.

Baseret på eksperimenter udført i rottehjernecellekulturer, forskerne fandt, at ubehandlede grafenelektroder havde en god grænseflade med neuroner. Ved at studere neuronerne med elektronmikroskopi og immunfluorescens fandt forskerne ud af, at de forblev sunde, transmitterer normale elektriske impulser og, vigtigt, ingen af ​​de bivirkninger, der førte til det skadelige arvæv, blev set.

Ifølge forskerne, dette er det første skridt mod at bruge uberørte grafen-baserede materialer som en elektrode til en neuro-grænseflade. I fremtiden, forskerne vil undersøge, hvordan forskellige former for grafen, fra flere lag til monolag, er i stand til at påvirke neuroner, og om justering af grafens materialeegenskaber kan ændre synapser og neuronal excitabilitet på nye og unikke måder. "Forhåbentlig vil dette bane vejen for bedre dybe hjerneimplantater til både at udnytte og kontrollere hjernen, med højere følsomhed og færre uønskede bivirkninger, sagde Ballerini.

"Vi er i øjeblikket involveret i frontlinjeforskning i grafenteknologi til biomedicinske applikationer, " sagde professor Maurizio Prato fra Trieste Universitet. "I dette scenarie, udviklingen og oversættelsen i neurologi af grafen-baserede højtydende bioenheder kræver udforskning af interaktionerne mellem grafen nano- og mikroark med nervecellernes sofistikerede signaleringsmaskineri. Vores arbejde er kun et første skridt i den retning."

"Disse første resultater viser, hvordan vi bare ridser toppen af ​​et isbjerg, når det kommer til potentialet af grafen og relaterede materialer i bioapplikationer og medicin, " sagde professor Andrea Ferrari, Direktør for Cambridge Graphene Centre. "Den ekspertise, der er udviklet på Cambridge Graphene Center, giver os mulighed for at producere store mængder uberørt materiale i opløsning, og denne undersøgelse beviser kompatibiliteten af ​​vores proces med neuro-grænseflader."