I transistor al grafene integrati in una sonda neurale flessibile consentono di misurare i segnali elettrici dei neuroni con elevata precisione e densità. Inserto:la punta della sonda contiene 16 transistor flessibili in grafene. Credito:ICN2
Misurare con precisione l'attività cerebrale è essenziale per sviluppare ulteriormente la comprensione di malattie come l'epilessia e i disturbi che influenzano la funzione cerebrale e il controllo motorio. Sono necessarie sonde neurali ad alta risoluzione spaziale sia per la registrazione che per la stimolazione di specifiche aree funzionali del cervello. Ora, i ricercatori della Graphene Flagship hanno sviluppato un nuovo dispositivo per registrare l'attività cerebrale in alta risoluzione mantenendo un eccellente rapporto segnale/rumore (SNR). Basato su transistor ad effetto di campo al grafene, i dispositivi flessibili aprono nuove possibilità per lo sviluppo di impianti e interfacce funzionali.
La ricerca, pubblicato in Materiali 2D , è stato uno sforzo collaborativo che ha coinvolto i partner Flagship dell'Università Tecnica di Monaco (TU Monaco; Germania), Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS; Spagna), Consiglio nazionale spagnolo delle ricerche (CSIC; Spagna), Il Centro di rete di ricerca biomedica in bioingegneria, Biomateriali e nanomedicina (CIBER-BBN; Spagna) e l'Istituto catalano di nanoscienze e nanotecnologie (ICN2; Spagna).
I dispositivi sono stati utilizzati per registrare i grandi segnali generati dall'attività preepilettica nei ratti, così come i più piccoli livelli di attività cerebrale durante il sonno e in risposta alla stimolazione visiva della luce. Questi tipi di attività portano a segnali elettrici molto più piccoli, e sono al livello della tipica attività cerebrale. L'attività neurale viene rilevata attraverso i campi elettrici altamente localizzati generati quando i neuroni si attivano, così densamente imballato, dispositivi di misurazione ultra-piccoli è importante per letture cerebrali accurate.
Le sonde neurali sono poste direttamente sulla superficie del cervello, quindi la sicurezza è di fondamentale importanza per lo sviluppo di dispositivi di impianto neurale a base di grafene. È importante sottolineare che i ricercatori hanno determinato che le sonde a base di grafene non sono tossiche, e non ha indotto alcuna infiammazione significativa.
Le sonde neurali a base di grafene sono state utilizzate per rilevare le risposte dei ratti alla stimolazione visiva, così come i segnali neurali durante il sonno. Entrambi i tipi di segnali sono piccoli, e tipicamente difficile da misurare. Credito:ICN2
Dispositivi impiantati nel cervello come protesi neurali per tecnologie di stimolazione cerebrale terapeutica e interfacce per dispositivi sensoriali e motori, come arti artificiali, sono un obiettivo importante per migliorare la qualità della vita dei pazienti. Questo lavoro rappresenta un primo passo verso l'uso del grafene nella ricerca e nei dispositivi neurali clinici, dimostrando che le tecnologie basate sul grafene possono fornire l'alta risoluzione e l'elevato SNR necessari per queste applicazioni.
Il primo autore Benno Blaschke (TU Munich) ha dichiarato:"Il grafene è uno dei pochi materiali che consente la registrazione in una configurazione a transistor e soddisfa contemporaneamente tutti gli altri requisiti per le sonde neurali come flessibilità, biocompatibilità e stabilità chimica. Sebbene il grafene sia ideale per l'elettronica flessibile, è stata una grande sfida trasferire il nostro processo di fabbricazione da substrati rigidi a quelli flessibili. Il prossimo passo è ottimizzare il processo di fabbricazione su scala di wafer e migliorare la flessibilità e la stabilità del dispositivo".
José Antonio Garrido (ICN2), ha condotto la ricerca. Ha affermato:"La conformità meccanica è un requisito importante per sonde neurali sicure e interfacce. Attualmente, l'attenzione si concentra su materiali ultra morbidi che possono adattarsi in modo conforme alla superficie del cervello. Le interfacce neurali del grafene hanno già mostrato un grande potenziale, ma dobbiamo migliorare la resa e l'omogeneità della produzione del dispositivo per avanzare verso una vera tecnologia. Una volta che abbiamo dimostrato il proof of concept negli studi sugli animali, il prossimo obiettivo sarà quello di lavorare alla prima sperimentazione clinica umana con dispositivi al grafene durante la mappatura intraoperatoria del cervello. Ciò significa affrontare tutte le questioni normative associate ai dispositivi medici come la sicurezza, biocompatibilità, eccetera."
