Het nauwkeurig meten van hersenactiviteit is essentieel voor het ontwikkelen van verder begrip van ziekten zoals epilepsie en aandoeningen die de hersenfunctie en motorische controle beïnvloeden. Neurale sondes met een hoge ruimtelijke resolutie zijn nodig voor zowel het opnemen als het stimuleren van specifieke functionele gebieden van de hersenen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Graphene Flagship hebben een nieuw apparaat ontwikkeld voor het opnemen van hersenactiviteit in hoge resolutie met behoud van een uitstekende signaal-ruisverhouding (SNR). Gebaseerd op grafeen veldeffecttransistoren, de flexibele apparaten openen nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van functionele implantaten en interfaces.

Het onderzoek, gepubliceerd in 2D-materialen , was een gezamenlijke inspanning van vlaggenschippartners Technische Universiteit van München (TU München; Duitsland), Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS; Spanje), Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC; Spanje), Het Biomedical Research Networking Center in Bioengineering, Biomaterialen en Nanogeneeskunde (CIBER-BBN; Spanje) en het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2; Spanje).

De apparaten werden gebruikt om de grote signalen te registreren die werden gegenereerd door pre-epileptische activiteit bij ratten, evenals de kleinere niveaus van hersenactiviteit tijdens de slaap en als reactie op visuele lichtstimulatie. Dit soort activiteiten leiden tot veel kleinere elektrische signalen, en bevinden zich op het niveau van typische hersenactiviteit. Neurale activiteit wordt gedetecteerd door de sterk gelokaliseerde elektrische velden die worden gegenereerd wanneer neuronen vuren, zo dicht opeengepakt, ultrakleine meetapparatuur is belangrijk voor nauwkeurige hersenmetingen.

De neurale sondes worden direct op het oppervlak van de hersenen geplaatst, dus veiligheid is van het grootste belang voor de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde neurale implantaten. belangrijk, de onderzoekers bepaalden dat de op grafeen gebaseerde sondes niet-toxisch zijn, en veroorzaakte geen significante ontsteking.

Apparaten die in de hersenen zijn geïmplanteerd als neurale prothese voor therapeutische hersenstimulatietechnologieën en interfaces voor sensorische en motorische apparaten, zoals kunstmatige ledematen, zijn een belangrijk doel voor het verbeteren van de kwaliteit van leven van patiënten. Dit werk vertegenwoordigt een eerste stap in de richting van het gebruik van grafeen in onderzoek en klinische neurale apparaten, waaruit blijkt dat op grafeen gebaseerde technologieën de hoge resolutie en hoge SNR kunnen leveren die nodig zijn voor deze toepassingen.

Eerste auteur Benno Blaschke (TU München) zei:"Grafeen is een van de weinige materialen die opname in een transistorconfiguratie mogelijk maakt en tegelijkertijd voldoet aan alle andere vereisten voor neurale sondes zoals flexibiliteit, biocompatibiliteit en chemische stabiliteit. Hoewel grafeen bij uitstek geschikt is voor flexibele elektronica, het was een grote uitdaging om ons fabricageproces om te zetten van harde ondergronden naar flexibele. De volgende stap is het optimaliseren van het fabricageproces op waferschaal en het verbeteren van de flexibiliteit en stabiliteit van het apparaat."

José Antonio Garrido (ICN2), leidde het onderzoek. Hij zei:"Mechanische naleving is een belangrijke vereiste voor veilige neurale sondes en interfaces. Momenteel is de focus ligt op ultrazachte materialen die zich conform aan het hersenoppervlak kunnen aanpassen. Neurale interfaces van grafeen hebben al een groot potentieel getoond, maar we moeten de opbrengst en homogeniteit van de apparaatproductie verbeteren om door te gaan naar een echte technologie. Zodra we het proof of concept hebben aangetoond in dierstudies, het volgende doel zal zijn om toe te werken naar de eerste klinische proef bij mensen met grafeenapparaten tijdens intraoperatieve kartering van de hersenen. Dit betekent dat alle regelgevingskwesties die verband houden met medische hulpmiddelen, zoals veiligheid, biocompatibiliteit, enzovoort."