I ricercatori hanno dimostrato con successo come sia possibile interfacciare il grafene - una forma bidimensionale di carbonio - con i neuroni, o cellule nervose, mantenendo l'integrità di queste cellule vitali. Il lavoro può essere utilizzato per costruire elettrodi a base di grafene che possono essere tranquillamente impiantati nel cervello, offrendo la promessa per il ripristino delle funzioni sensoriali per i pazienti amputati o paralizzati, o per individui con disturbi motori come l'epilessia o il morbo di Parkinson.
La ricerca, pubblicato sulla rivista ACS Nano , è stata una collaborazione interdisciplinare coordinata dall'Università di Trieste in Italia e dal Cambridge Graphene Centre.
In precedenza, altri gruppi avevano dimostrato che è possibile utilizzare il grafene trattato per interagire con i neuroni. Tuttavia, il rapporto segnale/rumore di questa interfaccia era molto basso. Sviluppando metodi per lavorare con il grafene non trattato, i ricercatori hanno mantenuto la conduttività elettrica del materiale, rendendolo un elettrodo significativamente migliore.
"Per la prima volta abbiamo interfacciato direttamente il grafene con i neuroni, " ha affermato la professoressa Laura Ballerini dell'Università di Trieste in Italia. "Abbiamo quindi testato la capacità dei neuroni di generare segnali elettrici noti per rappresentare le attività cerebrali, e ha scoperto che i neuroni mantenevano inalterate le loro proprietà di segnalazione neuronale. Questo è il primo studio funzionale dell'attività sinaptica neuronale che utilizza materiali a base di grafene non rivestiti".
La nostra comprensione del cervello è aumentata a tal punto che, interfacciandoci direttamente tra il cervello e il mondo esterno, possiamo ora imbrigliare e controllare alcune delle sue funzioni. Ad esempio, misurando gli impulsi elettrici del cervello, le funzioni sensoriali possono essere recuperate. Questo può essere utilizzato per controllare i bracci robotici per i pazienti amputati o qualsiasi numero di processi di base per i pazienti paralizzati, dalla parola al movimento degli oggetti nel mondo che li circonda. In alternativa, interferendo con questi impulsi elettrici, i disturbi motori (come l'epilessia o il morbo di Parkinson) possono iniziare a essere controllati.
Gli scienziati hanno reso possibile ciò sviluppando elettrodi che possono essere posizionati in profondità nel cervello. Questi elettrodi si collegano direttamente ai neuroni e trasmettono i loro segnali elettrici lontano dal corpo, permettendo di decodificarne il significato.
Però, l'interfaccia tra neuroni ed elettrodi è stata spesso problematica:non solo gli elettrodi devono essere altamente sensibili agli impulsi elettrici, ma devono essere stabili nel corpo senza alterare il tessuto che misurano.
Troppo spesso i moderni elettrodi utilizzati per questa interfaccia (a base di tungsteno o silicio) soffrono di perdite parziali o complete di segnale nel tempo. Questo è spesso causato dalla formazione di tessuto cicatriziale dall'inserimento dell'elettrodo, che impedisce all'elettrodo di muoversi con i movimenti naturali del cervello a causa della sua natura rigida.
Il grafene ha dimostrato di essere un materiale promettente per risolvere questi problemi, grazie alla sua eccellente conduttività, flessibilità, biocompatibilità e stabilità all'interno del corpo.
Sulla base di esperimenti condotti in colture di cellule cerebrali di ratto, i ricercatori hanno scoperto che gli elettrodi di grafene non trattati si interfacciavano bene con i neuroni. Studiando i neuroni con la microscopia elettronica e l'immunofluorescenza i ricercatori hanno scoperto che sono rimasti sani, trasmettere i normali impulsi elettrici e, importante, nessuna delle reazioni avverse che portano al tessuto cicatriziale dannoso è stata osservata.
Secondo i ricercatori, questo è il primo passo verso l'utilizzo di materiali incontaminati a base di grafene come elettrodo per una neuro-interfaccia. In futuro, i ricercatori studieranno come diverse forme di grafene, da più strati a monostrati, sono in grado di influenzare i neuroni, e se la regolazione delle proprietà del materiale del grafene potrebbe alterare le sinapsi e l'eccitabilità neuronale in modi nuovi e unici. "Speriamo che questo apra la strada a migliori impianti cerebrali profondi per imbrigliare e controllare il cervello, con maggiore sensibilità e meno effetti collaterali indesiderati, ", ha detto Ballerini.
"Attualmente siamo coinvolti nella ricerca in prima linea nella tecnologia del grafene verso applicazioni biomediche, ", ha affermato il professor Maurizio Prato dell'Università di Trieste. "In questo scenario, lo sviluppo e la traduzione in neurologia di biodispositivi ad alte prestazioni a base di grafene richiede l'esplorazione delle interazioni tra nano e micro fogli di grafene con i sofisticati macchinari di segnalazione delle cellule nervose. Il nostro lavoro è solo un primo passo in quella direzione".
"Questi risultati iniziali mostrano come stiamo solo grattando la punta di un iceberg quando si tratta del potenziale del grafene e dei materiali correlati nelle bio-applicazioni e nella medicina, " ha detto il professor Andrea Ferrari, Direttore del Cambridge Graphene Centre. "L'esperienza sviluppata al Cambridge Graphene Center ci consente di produrre grandi quantità di materiale incontaminato in soluzione, e questo studio dimostra la compatibilità del nostro processo con le neuro-interfacce".
