Grafen-baserede neurale prober sonderer hjerneaktivitet i høj opløsning

At måle hjerneaktivitet med præcision er afgørende for at udvikle yderligere forståelse af sygdomme som epilepsi og lidelser, der påvirker hjernens funktion og motoriske kontrol. Neurale prober med høj rumlig opløsning er nødvendige til både registrering og stimulering af specifikke funktionelle områder af hjernen. Nu, forskere fra Graphene Flagship har udviklet en ny enhed til optagelse af hjerneaktivitet i høj opløsning og samtidig opretholde et fremragende signal til støjforhold (SNR). Baseret på grafen-felteffekttransistorer, de fleksible enheder åbner op for nye muligheder for udvikling af funktionelle implantater og interfaces.

Forskningen, udgivet i 2D materialer , var en samarbejdsindsats, der involverede flagskibspartnere, Technical University of München (TU München; Tyskland), Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS; Spanien), Det spanske nationale forskningsråd (CSIC; Spanien), Det biomedicinske forskningsnetværkscenter i bioteknik, Biomaterialer og nanomedicin (CIBER-BBN; Spanien) og det catalanske institut for nanovidenskab og nanoteknologi (ICN2; Spanien).

Enhederne blev brugt til at optage de store signaler genereret af præ-epileptisk aktivitet hos rotter, samt de mindre niveauer af hjerneaktivitet under søvn og som reaktion på visuel lysstimulering. Disse typer aktiviteter fører til meget mindre elektriske signaler, og er på niveau med typisk hjerneaktivitet. Neural aktivitet detekteres gennem de stærkt lokaliserede elektriske felter, der genereres, når neuroner affyrer, så tæt pakket, ultrasmå måleapparater er vigtige for nøjagtige hjerneaflæsninger.

Neuralproberne placeres direkte på hjernens overflade, så sikkerhed er af altafgørende betydning for udviklingen af ​​grafen-baserede neurale implantater. Vigtigt, forskerne fastslog, at de grafenbaserede sonder er ikke-toksiske, og fremkaldte ikke nogen signifikant inflammation.

Enheder implanteret i hjernen som neurale proteser til terapeutiske hjernestimuleringsteknologier og grænseflader til sensoriske og motoriske enheder, såsom kunstige lemmer, er et vigtigt mål for at forbedre livskvaliteten for patienterne. Dette arbejde repræsenterer et første skridt mod brugen af ​​grafen i forskning såvel som kliniske neurale anordninger, viser, at grafen-baserede teknologier kan levere den høje opløsning og høje SNR, der er nødvendig for disse applikationer.

Førsteforfatter Benno Blaschke (TU München) sagde "Graphene er et af de få materialer, der tillader optagelse i en transistorkonfiguration og samtidig overholder alle andre krav til neurale prober såsom fleksibilitet, biokompatibilitet og kemisk stabilitet. Selvom grafen er ideel til fleksibel elektronik, det var en stor udfordring at overføre vores fremstillingsproces fra stive substrater til fleksible. Det næste trin er at optimere fabrikationsprocessen i waferskala og forbedre enhedens fleksibilitet og stabilitet."

Jose Antonio Garrido (ICN2), ledet forskningen. Han sagde "Mekanisk overensstemmelse er et vigtigt krav for sikre neurale prober og grænseflader. I øjeblikket, fokus er på ultrabløde materialer, der kan tilpasse sig konformt til hjernens overflade. Grafen neurale grænseflader har allerede vist et stort potentiale, men vi er nødt til at forbedre udbyttet og homogeniteten af ​​enhedsproduktionen for at komme videre mod en ægte teknologi. Når vi har demonstreret proof of concept i dyreforsøg, det næste mål vil være at arbejde hen imod det første humane kliniske forsøg med grafenanordninger under intraoperativ kortlægning af hjernen. Det betyder, at alle lovgivningsmæssige problemer i forbindelse med medicinsk udstyr skal løses, såsom sikkerhed, biokompatibilitet, etc."