Noves sondes neuronals basades en grafè milloren la detecció de senyals cerebrals epilèptics

La capacitat d’enregistrar i cartografiar tota la gamma de senyals cerebrals mitjançant sondes electrofisiològiques permetria avançar amb força la nostra comprensió de les malalties cerebrals i facilitaria el tractament clínic dels pacients amb diversos trastorns neurològics. No obstant això, les tecnologies actuals són limitades en la seva capacitat per obtenir amb precisió i alta fidelitat espacial els senyals cerebrals ultra-lents. En un article publicat avui a Nature Nanotechnology, un equip internacional d'investigadors presenta una sonda neuronal flexible fabricada amb transistors d'efecte de camp basats en grafè (Field-Effect Transistor o FET, en anglès), capaç d’enregistrar tot l'espectre de senyals cerebrals, inclosos els de més baixa freqüència. Això demostra la capacitat d'aquests dispositius per detectar amb alta fidelitat les marques electrogràfiques pròpies del cervell epilèptic.

L'epilèpsia és el trastorn cerebral greu més freqüent, i fins al 30% de les persones que ho pateixen no poden controlar les crisis amb els fàrmacs antiepilèptics tradicionals. Per als pacients refractaris als fàrmacs, la cirurgia de l'epilèpsia pot ser una opció viable. L'extirpació quirúrgica de la zona del cervell on s'inicien les crisis les evitaria. Tot i això, l'èxit de la cirurgia depèn de la identificació precisa de la zona a extirpar. Els senyals epilèptics abasten una àmplia gamma de freqüències, molt més àmplia que la banda monitoritzada per l'electroencefalograma (EEG) convencional. Els biomarcadors electogràfics per determinar la zona d'inici de les crisis inclouen oscil·lacions molt ràpides, així com activitat ultra-lenta i desplaçaments de corrent continu. Aquests darrers, en particular, poden proporcionar informació molt rellevant associada a l'inici de les crisis, però poques vegades s'utilitzen degut a les limitacions del electrodesdisponibles per detectar aquest tipus de senyals cerebrals. L'aplicació de la nova tecnologia permetrà als investigadors entendre el paper de les oscil·lacions ultra-lentes en la susceptibilitat de patir una crisi epilèptica, així com millorar la detecció de biomarcadors electrofisiològics clínicament rellevants associats a la malaltia.

La sonda neuronal de profunditat desenvolupada amb grafè pels autors del treball consisteix en una matriu lineal d’uns mil·límetres de longitud feta de micro-transistors incrustats en un substrat polimèric flexible de micròmetres de gruix. Aquests dispositius flexibles es van implantar en models animals petits que presentaven convulsions i epilèpsia. Els dispositius implantats van proporcionar durant setmanes una resolució espacial extraordinària i un registre de gran amplada de banda dels senyals cerebrals epilèptics. A més, les exhaustives proves de biocompatibilitat crònica van confirmar que no van aparèixer danys significatius en els teixits ni inflamació neuronal, cosa que s'atribueix a la biocompatibilitat dels materials utilitzats, inclòs el grafè, i a la naturalesa flexible del dispositiu.

La futura translació clínica d'aquesta tecnologia ofereix la possibilitat d'identificar i delimitar amb molta més precisió les zones del cervell responsables de l'aparició de les crisis abans de la intervenció quirúrgica. Això permetria fer reseccions menys extenses i obtenir millors resultats. Per extensió, aquesta tecnologia també es pot aplicar per millorar la comprensió d'altres malalties neurològiques associades a senyals cerebrals ultra-lents, com les lesions cerebrals traumàtiques, els accidents cerebrovasculars i la migranya.

"El desenvolupament de neurotecnologia basada en grafè ha estat possible gràcies a les capacitats de microfabricació de la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l'IMB-CNM-CSIC", explica Anton Guimerà sobre la Infraestructura Científica i Tècnica Singular (ICTS) reconeguda pel Ministeri de Ciència i Innovació.

Aquest treball ha estat encapçalat pel Prof. ICREA Jose A. Garrido, Cap del Grup ICN2 de Materials i Dispositius Electrònics Avançats, el Dr. Anton Guimerà-Brunet, de l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) i del CIBER-BBN, i el Dr. Rob Wykes, de la University College London Queen Square Institute of Neurology (Regne Unit) i el Nanomedicine Lab de la University of Manchester (UK). El primer autor de l’article és el Dr. Andrea Bonaccini Calia, fins fa poc al grup de l’ICN2. Aquest treball s’ha portat a terme en el marc del Projecte Europeu Graphene Flagship. La recerca s’ha beneficiat de col·laboracions multidisciplinàries i ha rebut contribucions valuoses del personal investigador del Nanomedicine Lab de la University of Manchester (UK), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i g.tec medical engineering GmbH (Àustria).

Referència de l'article:
Andrea Bonaccini Calia, Eduard Masvidal-Codina, Trevor M. Smith, Nathan Schäfer, Daman Rathore, Elisa Rodríguez-Lucas, Xavi Illa, Jose M. De la Cruz, Elena Del Corro, Elisabet Prats-Alfonso, Damià Viana, Jessica Bousquet, Clement Hébert, Javier Martínez-Aguilar, Justin R. Sperling, Matthew Drummond, Arnab Halder, Abbie Dodd, Katharine Barr, Sinead Savage, Jordina Fornell, Jordi Sort, Christoph Guger, Rosa Villa, Kostas Kostarelos, Rob Wykes, Anton Guimerà-Brunet, and Jose A. Garrido, Full bandwidth electrophysiology of seizures and epileptiform activity enabled by flexible graphene micro-transistor depth neural probes. Nature Nanotechnology, 2021. https://www.nature.com/articles/s41565-021-01041-9