Onderzoekers hebben met succes aangetoond hoe het mogelijk is om grafeen - een tweedimensionale vorm van koolstof - te koppelen aan neuronen, of zenuwcellen, terwijl de integriteit van deze vitale cellen behouden blijft. Het werk kan worden gebruikt om op grafeen gebaseerde elektroden te bouwen die veilig in de hersenen kunnen worden geïmplanteerd, veelbelovend voor het herstel van sensorische functies voor geamputeerde of verlamde patiënten, of voor personen met motorische stoornissen zoals epilepsie of de ziekte van Parkinson.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , was een interdisciplinaire samenwerking gecoördineerd door de Universiteit van Trieste in Italië en het Cambridge Graphene Centre.

Eerder, andere groepen hadden aangetoond dat het mogelijk is om behandeld grafeen te gebruiken voor interactie met neuronen. De signaal-ruisverhouding van deze interface was echter erg laag. Door methoden te ontwikkelen om met onbehandeld grafeen te werken, de onderzoekers behielden de elektrische geleidbaarheid van het materiaal, waardoor het een aanzienlijk betere elektrode is.

"Voor het eerst hebben we grafeen rechtstreeks met neuronen gekoppeld, " zei professor Laura Ballerini van de Universiteit van Triëst in Italië. "Vervolgens testten we het vermogen van neuronen om elektrische signalen te genereren waarvan bekend is dat ze hersenactiviteiten vertegenwoordigen, en ontdekte dat de neuronen hun neuronale signaleringseigenschappen ongewijzigd behielden. Dit is de eerste functionele studie van neuronale synaptische activiteit met behulp van ongecoate op grafeen gebaseerde materialen."

Ons begrip van de hersenen is in zo'n mate toegenomen dat we door een directe interactie tussen de hersenen en de buitenwereld nu enkele van zijn functies kunnen benutten en controleren. Bijvoorbeeld, door de elektrische impulsen van de hersenen te meten, zintuiglijke functies kunnen worden hersteld. Dit kan worden gebruikt om robotarmen voor geamputeerde patiënten of een aantal basisprocessen voor verlamde patiënten te besturen - van spraak tot beweging van objecten in de wereld om hen heen. Alternatief, door te interfereren met deze elektrische impulsen, motorische stoornissen (zoals epilepsie of Parkinson) kunnen onder controle worden gebracht.

Wetenschappers hebben dit mogelijk gemaakt door elektroden te ontwikkelen die diep in de hersenen kunnen worden geplaatst. Deze elektroden zijn rechtstreeks verbonden met neuronen en zenden hun elektrische signalen weg van het lichaam, waardoor hun betekenis kan worden gedecodeerd.

Echter, de interface tussen neuronen en elektroden is vaak problematisch geweest:niet alleen moeten de elektroden zeer gevoelig zijn voor elektrische impulsen, maar ze moeten stabiel in het lichaam zijn zonder het weefsel dat ze meten te veranderen.

Te vaak hebben de moderne elektroden die voor deze interface worden gebruikt (gebaseerd op wolfraam of silicium) na verloop van tijd een gedeeltelijk of volledig signaalverlies. Dit wordt vaak veroorzaakt door de vorming van littekenweefsel door het inbrengen van de elektrode, die verhindert dat de elektrode meebeweegt met de natuurlijke bewegingen van de hersenen vanwege zijn rigide karakter.

Grafeen is een veelbelovend materiaal gebleken om deze problemen op te lossen, vanwege zijn uitstekende geleidbaarheid, flexibiliteit, biocompatibiliteit en stabiliteit in het lichaam.

Gebaseerd op experimenten uitgevoerd in celculturen van rattenhersenen, de onderzoekers ontdekten dat onbehandelde grafeenelektroden goed verbonden waren met neuronen. Door de neuronen te bestuderen met elektronenmicroscopie en immunofluorescentie ontdekten de onderzoekers dat ze gezond bleven, het verzenden van normale elektrische impulsen en, belangrijk, geen van de bijwerkingen die leidden tot het beschadigende littekenweefsel werden gezien.

Volgens de onderzoekers is dit is de eerste stap naar het gebruik van ongerepte, op grafeen gebaseerde materialen als elektrode voor een neuro-interface. In de toekomst, gaan de onderzoekers onderzoeken hoe verschillende vormen van grafeen, van meerdere lagen tot monolagen, kunnen neuronen beïnvloeden, en of het afstemmen van de materiaaleigenschappen van grafeen de synapsen en neuronale prikkelbaarheid op nieuwe en unieke manieren zou kunnen veranderen. "Hopelijk zal dit de weg vrijmaken voor betere diepe hersenimplantaten om de hersenen zowel te benutten als te beheersen, met een hogere gevoeligheid en minder ongewenste bijwerkingen, ' zei Ballerini.

"We zijn momenteel betrokken bij eerstelijnsonderzoek in grafeentechnologie naar biomedische toepassingen, " zei professor Maurizio Prato van de Universiteit van Triëst. "In dit scenario, de ontwikkeling en vertaling in de neurologie van op grafeen gebaseerde high-performance biodevices vereist de verkenning van de interacties tussen grafeen nano- en micro-sheets met de geavanceerde signaalmachinerie van zenuwcellen. Ons werk is slechts een eerste stap in die richting."

"Deze eerste resultaten laten zien dat we nog maar het topje van een ijsberg bekrassen als het gaat om het potentieel van grafeen en verwante materialen in bio-toepassingen en medicijnen, " zei professor Andrea Ferrari, Directeur van het Cambridge Graphene Centre. "De expertise die is ontwikkeld in het Cambridge Graphene Centre stelt ons in staat om grote hoeveelheden ongerept materiaal in oplossing te produceren, en deze studie bewijst de compatibiliteit van ons proces met neuro-interfaces."