ГРАФЕНОВЫЕ ДАТЧИКИ СЧИТЫВАЮТ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ НЕЙРОННЫЕ ВОЛНЫ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗЛИЧНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ МОЗГА

ГРАФЕНОВЫЕ ДАТЧИКИ СЧИТЫВАЮТ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ НЕЙРОННЫЕ ВОЛНЫ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗЛИЧНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ МОЗГА

Том Фоули

Биосовместимый имплантат на основе графена безопасно измеряет и предсказывает состояние мозга. Ученые из Graphene Flagship (научно-исследовательская инициатива Европейского Союза) разработали датчик на основе CVD-графена, который обнаруживает сигналы мозга в широком диапазоне частот, от чрезвычайно низких частот до высокочас-тотных колебаний. Датчик биосовместим и может быть использован для измерения и прогнозирования состояния мозга. Кроме того, графеновые датчики могут быть использованы в хронических имплантатах из-за их высокой стабильности в головном мозге.

Исследование было проведено учеными партнерами Graphene Flagship: Graphene-Каталонского Института нанонауки и нанотехнологий (ICN2), Барселонского Института микроэлектроники (CSIC), CIBER-BBN и ICREA (Испания), Университета Людвига-Максимилиана (Германия) и Манчестерского университета (Великобритания) в сотрудничестве с Флагманским партнером Graphene Multi Channel Systems GmbH(Германия). Консорциум показал, что датчики на основе графена обеспечивают доступ к неуловимой низкочастотной области мозговой активности. Современные методы обнаружения мозговых волн используют металлические электроды, которые неэффективны при измерении очень низкочастотной активности, известной как " инфрамедленная" область. Благодаря чувствительности графена ученые теперь могут легко собирать информацию из этой области и рисовать лучшую картину мозговой активности животных. Это может стать основой для новых типов нейротерапевтических медицинских технологий.

Используя технологию, разработанную ICN2 и Институтом микроэлектроники Барселоны, в рамках флагманского проекта Graphene и европейского проекта BrainCom, ученые Graphene Flagship построили массив транзисторов, которые записывают и передают информацию об активности при имплантации в мозг. Датчик имеет небольшие каналы на поверхности: когда они вступают в контакт с мозговой тканью, электрические сигналы внутри мозга вызывают небольшие изменения проводимости. Эти изменения производят сигнал и записываются для создания мозговой активности " отпечатка пальца".

“С помощью нашего набора устройств, основанных на CVD-графене, мы можем записывать сигналы из инфракрасной области с очень высокой точностью”, - объясняет Хосе Гарридо из Graphene ICN2 в Испании. “В мозге существует корреляция между более низкими и более высокими частотами активности мозга, поэтому более низкие частоты, как правило, диктуют, как выглядят более высокие частоты. Мы показали, что, измеряя инфракрасную активность с частотами ниже десятой доли герца, мы можем расшифровать " состояния мозга" животного”. Гарридо считает, что эта технология может привести к новым методам лечения мозговых расстройств, таких как эпилепсия, поскольку определенные характерные паттерны сигналов могут выявить " состояния мозга", которые могут привести к судорогам.

Чтобы проверить устройство, они имплантировали его в мозг свободно ведущей себя крысы, непрерывно контролируя его. Сигналы передавались по беспроводной сети с помощью миниатюрной электронной головной станции, разработанной промышленным партнером Multichannel Systems. Ученые обнаружили, что характеристики сигналов, измеренные во время различных типов мозговой активности, таких как периоды высокой активности или во время сна – так называемые " состояния мозга" - очень хорошо коррелируют с инфракрасными медленными сигналами, декодированными имплантатом на основе графена.

Кроме того, Костас Костарелос и его коллеги из Манчестерского университета в Великобритании протестировали биосовместимость этих устройств. Они не обнаружили никакого воспаления, кроме того, которое, как ожидалось, возникло бы в результате имплантации устройства, в течение всего 12-недельного периода их испытаний, и устройство не деградировало в течение этого периода.

“Очень удивительно видеть, что мы можем правильно идентифицировать и соотносить состояния мозга животных с измеренной инфракрасной активностью”, - говорит Гарридо. Теперь следующим шагом будет изучение коммерческих приложений. “Мы уже сотрудничаем с некоторыми компаниями, заинтересованными в этой технологии, и стремимся воплотить ее в продукт – и, кроме того, внедрить в клиники и больницы”, - заключает он.

Серж Пико, заместитель руководителя Рабочего пакета биомедицинских технологий Флагмана Графена, комментирует: “Новые технологии-это всегда вектор для новых открытий. В данном случае графеновые сенсоры открыли нам доступ к инфракрасным мозговым волнам. Запись их на животных моделях и пациентах продемонстрирует, действительно ли мы можем полагаться на эти новые измерения для точной диагностики и лечения пациентов с серьезными заболеваниями мозга, такими как эпилепсия. ”

Андреа Феррари (Andrea C. Ferrari), специалист по науке и технологиям Флагмана Graphene и председатель его руководящего совета, добавляет: “Флагман Graphene рано осознал потенциал графена и слоистых материалов для биологических применений. Эта замечательная работа приближает нас к приложениям в этой области с помощью нового инструмента, созданного благодаря уникальным свойствам графена. ”

Гарсия-Кортаделла, Рамон и др. " Графеновые активные сенсорные матрицы для долгосрочного и беспроводного картирования эпикортикальной активности мозга в широком диапазоне частот. " Nature communications 12. 1 (2021): 1-17.

https: //graphene-flagship. eu/graphene/news/graphene-sensors-read-low-frequency-neural-waves-associated-with-distinct-brain-states/? fbclid=IwAR3gSesN_72iMIGSg8xSTfjZ8Izlp-7jn_HJ5YE5IlHYWntlOdboCFzeIJU