Una nova interfície neuronal flexible per a "parlar i escoltar" el cervell

_{Imatge: Dispositiu flexible que integra en la punta les matrius de microelèctrodes i transistors de grafè per a aplicació neuronal. Natalia Bermejo (IMB-CNM).}

Les interfícies neuronals són dispositius que, en posar-se en contacte amb el cervell, són capaços de detectar o modular l’activitat neuronal. Avui dia, ja s’utilitzen per a tractar diverses patologies relacionades amb el sistema nerviós. No obstant això, existeixen algunes limitacions que poden reduir la seva eficàcia. Un exemple és la unidireccionalitat. La majoria de les interfícies actuals permeten estimular, però no detectar o descodificar de manera precisa l’activitat cerebral. O, si ho fan, tenen limitacions en la detecció d’uns certs senyals, especialment en la captura de senyals de molt baixa freqüència.

Ara, un estudi liderat per investigadors de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) i l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), i publicat recentment en Nature Communications, presenta un dispositiu capaç de superar aquestes barreres i que ja s’ha provat amb èxit en models de ratolí.

El treball presenta una interfície neuronal basada en el grafè, un nanomaterial flexible i excel·lent conductor de l’electricitat. El dispositiu és el resultat del desafiament d’integrar dues tecnologies complementàries de grafè en una sola plataforma. Gràcies a això, pot registrar i descodificar senyals nerviosos, interpretar aquesta informació i modular l’activitat cerebral de manera simultània. Aquesta capacitat bidireccional podria establir les bases de noves teràpies per a patologies del sistema nerviós, capaços d’adaptar-se en temps real a les necessitats de cada pacient.

Integració de dos elements clau

Tal com explica el Prof. Jose A. Garrido, un dels autors principals de l’estudi, “avui dia, la majoria dels implants clínics utilitzats, per exemple, en Parkinson o epilèpsia, són unidireccionals. Es basen en elèctrodes que funcionen amb paràmetres fixos, sense adaptar-se als canvis dinàmics de l’activitat cerebral. Això dona lloc a teràpies poc específiques i sense capacitat d’adaptació”.

El nou dispositiu aborda aquest repte combinant dues tecnologies basades en grafè. D’una banda, incorpora transistors de grafè monocapa (gFET) capaços de registrar l’activitat cerebral amb sensibilitat a freqüències ultrabaixes. De l’altra, integra microelèctrodes fabricats a partir de l’òxid de grafè reduït nanoporós (rGO), un derivat del grafè, que permeten modular l’activitat les cèl·lules nervioses mitjançant impulsos elèctrics. 

El desafiament no era només conceptual, sinó també tècnic. Encara que en treballs previs aquest equip ja havia desenvolupat elèctrodes de grafè capaços d’establir una comunicació bidireccional amb el teixit nerviós, aquests dispositius presentaven problemes d’interferència entre senyals, coneguts com a “artefactes”. En concret, els polsos de modulació podien interferir amb el registre de senyals del cervell, ocultant o alterant l'activitat real.

El Dr. Anton Guimerà, l’altre autor principal de l’estudi i investigador de l’IMB-CNM, assenyala que “la integració de tots dos elements, transistors i elèctrodes, aconsegueix que la comunicació bidireccional sigui més sensible i precisa”. A més, afegeix, “els resultats van mostrar que el monitoratge de l’activitat cerebral, fins i tot en freqüències d’activitat ultrabaixa, no s’altera durant la modulació”. Per això, “diem que el dispositiu és capaç d'escoltar i parlar”.

La fabricació del dispositiu s’ha dut a terme en les instal·lacions de la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l’IMB-CNM-CSIC i de l’ICN2. La validació de les interfícies s’ha realitzat en el laboratori del Dr. Rob Wykes, en University College London, usant models in vivo de ratolí. En aquests assajos, la tecnologia va demostrar el seu potencial per a detectar biomarcadors en temps real i respondre amb una modulació ajustada i específica.

Una col·laboració consolidada

Aquest avanç no és un resultat aïllat, sinó un nou dins de la col·laboració consolidada entre l'IMB-CNM-CSIC i l'ICN2. Els elèctrodes i els transistors de grafè, elements clau del dispositiu, ja havien estat validats en estudis anteriors desenvolupats per aquest equip. 

Un de les primeres fites d'aquesta línia de recerca va ser l'article publicat en Nature Materials en 2018, liderat pel Dr. Anton Guimerà i el Prof. ICREA Jose A. Garrido, que va demostrar el primer implant basat en grafè capaç de registrar activitat cerebral a freqüències extremadament baixes. A aquest treball se suma un estudi més recent publicat en Nature Nanotechnology, centrat en la tecnologia de grafè nanoporós.

La col·laboració entre l’IMB-CNM-CSIC i l'ICN2 també ha impulsat la transferència d'aquestes tecnologies cap a aplicacions biomèdiques. En aquest context s'emmarca INBRAIN Neuroelectronics, spin‑off fundada en 2019 amb el suport de l'ICN2, l’IMB-CNM i ICREA, i llicenciatària de les tecnologies de transistors i elèctrodes de grafè desenvolupades en aquesta línia de recerca. L’empresa treballa en interfícies neuronals basades en grafè per a ús clínic i ja ha completat el primer assaig en humans per a avaluar la seva seguretat i eficàcia.

La resta de col·laboradors del present estudi inclouen el consorci Centro de Investigación Biomédica en Red (CIBER-BBN), la Universitat de Manchester, la University College London i el Bernstein Center for Computational Neuroscience de Múnic a Alemanya.

_{Article de referència:
Prokop, et al. An artefact-resilient wide bandwidth bidirectional graphene neural interface. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73790-x.}

A l'esquerra: representació gràfica de la punta de la interfície, on es poden distingir els transistors (actius) i els elèctrodes (passius).

A la dreta: detall de l'oblia, substrat sobre el qual es fabriquen els dispositius, on es pot veure la producció de dotze interfícies amb la mateixa geometria que es pot apreciar a la imatge principal.

Font: figura 1 de la publicació original a Nature Communications