Un implante de grafeno supera las barreras técnicas para detectar actividad cerebral a frecuencias extremadamente bajas

El conocimiento que tenemos sobre el cerebro humano crece de forma exponencial, pero aun así quedan grandes y pequeñas preguntas pendientes de respuesta. La comunidad investigadora ha usado durante décadas guías de electrodos para detectar la actividad eléctrica en el cerebro, mapeando la actividad de diferentes regiones para conocer sus señales cuando todo funciona correctamente, así como cuando algo está fallando. A pesar de ello, hasta ahora estos electrodos tan solo han podido detectar la actividad por encima de cierto umbral de frecuencia. Una nueva tecnología supera esta limitación técnica, haciendo accesible el gran volumen de información que se encuentra bajo los 0,1 Hz, al mismo tiempo que facilita el diseño de futuras interfaces cerebro-ordenador.

Desarrollada por investigadores del CIBER-BBN en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC) junto al equipo del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2, un centro de BIST y CSIC) y adaptado para poder utilizarse en el cerebro por el Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), esta tecnología deja atrás los electrodos clásicos y usa una innovadora arquitectura basada en transistores que amplifica las señales del cerebro in situ antes de transmitirlas al receptor.

Además, el uso de grafeno en la fabricación de esta nueva arquitectura significa que el implante resultante puede incorporar muchos más puntos de detección que una guía de electrodos estándar, al mismo tiempo que es suficientemente delgada y flexible como para poder aplicarse sobre grandes áreas del córtex sin producir rechazo o interferir en el funcionamiento normal del cerebro. El resultado es un mapeado sin precedentes de la actividad cerebral de baja frecuencia donde se encuentra información crucial sobre diferentes eventos que tienen lugar en el cerebro, como por ejemplo el inicio y progresión de un ataque epiléptico.

Para los neurólogos esto significa que tendrán por fin acceso a las señales más sutiles del cerebro. El Prof. Matthew Walker, de la University College London y un especialista mundial en epilepsia clínica, ha afirmado que esta rompedora tecnología tiene el potencial de cambiar la forma en la que se mide y visualiza la actividad eléctrica del cerebro. Sus aplicaciones futuras ofrecerán un entendimiento sin precedentes sobre dónde y cómo empiezan y terminan los ataques, posibilitando nuevos acercamientos al diagnóstico y tratamiento de la epilepsia.

Más allá de la epilepsia el preciso mapeado e interacción con el cerebro tiene otras aplicaciones interesantes. Gracias a la capacidad de crear una matriz con un gran número de puntos de detección mediante la llamada estrategia de multiplexado, algunos de los autores del presente trabajo están adaptando también la tecnología para restablecer la capacidad de hablar y comunicarse en el marco del proyecto europeo BrainCom. Coordinado desde el ICN2, este proyecto aportará una nueva generación de interfaces cerebro-ordenador capaces de explorar y reparar funciones cognitivas complejas, con un especial interés por las pérdidas del habla causadas por lesiones cerebrales o de la médula espinal (afasia).

Los detalles de los avances tecnológicos (pendientes de patente) que han hecho posibles estos implantes pueden encontrarse en Nature Materials, con Eduard Masvidal Codina del IMB-CNM, CSIC como primer autor. La aportación de este instituto fue liderada por el investigador del CIBER-BBN Anton Guimerà Brunet, mientras que Jose A Garrido (Prof. ICREA) dirigió los esfuerzos del ICN2. Los microtransistores de grafeno se adaptaron para la lectura de señales cerebrales y se testaron in vivo en el IDIBAPS, bajo la supervisión de Mavi Sánchez-Vives (Prof. ICREA). Una técnica de imagen fue desarrollada en colaboración con ICFO – un centro de BIST- una aportación liderada por Turgut Durduran (Prof. ICREA). El trabajo conjunto que ha hecho todo esto posible ha sido cofinanciado por el Graphene Flagship y el proyecto BrainCom.

Artículos de referencia

Eduard Masvidal-Codina, Xavi Illa, Miguel Dasilva, Andrea Bonaccini Calia, Tanja Dragojević, Ernesto E. Vidal-Rosas, Elisabet Prats-Alfonso, Javier Martínez-Aguilar, Jose M. De la Cruz, Ramon Garcia-Cortadella, Philippe Godignon, Gemma Rius, Alessandra Camassa, Elena Del Corro, Jessica Bousquet, Clement Hébert, Turgut Durduran, Rosa Villa, Maria V. Sanchez-Vives, Jose A. Garrido & Anton Guimerà-Brunet. High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors. Nature Materials (2018). Published: 31 December 2018. https://www.nature.com/articles/s41563-018-0249-4

Jed A. Hartings. How slow can you go? Nature Materials (2018). Published: 31 December 2018. https://www.nature.com/articles/s41563-018-0272-5