18/07/2021 às 20h36min - Atualizada em 18/07/2021 às 20h36min

Sensores de grafeno leem ondas neurais de baixa frequência associadas a estados cerebrais distintos

O sensor consiste em uma série de transistores implantados no cérebro para registrar e transmitir informações. Sinais elétricos dentro do cérebro causam pequenas mudanças na condutividade, e essas mudanças revelam dados sobre o estado atual do cérebro.

Cristina Barroso
Graphene Flagship
(REPRODUÇÃO)
Um implante biocompatível baseado em grafeno mede e prevê com segurança os estados cerebrais.

Os cientistas da Graphene Flagship desenvolveram um sensor baseado em grafeno CVD que detecta sinais cerebrais em uma ampla banda de frequência, de frequências extremamente baixas a oscilações de alta frequência. O sensor é biocompatível e pode ser usado para medir e prever estados cerebrais. Além disso, os sensores de grafeno podem ser usados ​​em implantes crônicos devido à sua alta estabilidade no cérebro.

O estudo foi conduzido por cientistas da Graphene Flagship Partners do Catalan Institute of Nanocience and Nanotechnology (ICN2), do Microelectronics Institute of Barcelona (CSIC), CIBER-BBN e ICREA, Espanha, Ludwig-Maximilians University, Alemanha, e da University of Manchester , Reino Unido, em colaboração com o parceiro principal da Graphene, Multi Channel Systems GmbH , Alemanha.
O consórcio mostrou que sensores baseados em grafeno garantem acesso a uma região de baixa frequência indescritível da atividade cerebral. Os métodos atuais para detectar ondas cerebrais usam eletrodos metálicos, que são ineficazes para medir a atividade de frequência muito baixa - conhecida como região 'infra-lenta'. Graças à sensibilidade do grafeno, os cientistas agora podem facilmente reunir informações dessa região e pintar uma imagem melhor da atividade cerebral dos animais. Isso poderia formar a base para novos tipos de tecnologia médica neuroterapêutica.

Utilizando uma tecnologia desenvolvida pelo ICN2 e pelo Instituto de Microeletrônica de Barcelona, ​​no âmbito dos projetos europeus Graphene Flagship e BrainCom, os cientistas Graphene Flagship construíram uma série de transistores que registram e transmitem informações de atividade quando implantados no cérebro. O sensor possui pequenos canais na superfície: quando eles fazem contato com o tecido cerebral, os sinais elétricos dentro do cérebro causam pequenas mudanças na condutividade. Essas mudanças produzem um sinal e são registradas para criar uma 'impressão digital' da atividade cerebral.

“Com nosso conjunto de dispositivos, baseado em grafeno CVD, podemos registrar sinais da região infra-lenta com altíssima precisão”, explica Jose Garrido, do parceiro da Graphene Flagship ICN2, Espanha. “No cérebro, há uma correlação entre as frequências mais baixas e mais altas de atividade cerebral, então as frequências mais baixas tendem a ditar a aparência das frequências mais altas. Demonstramos que, medindo a atividade infra-lenta, com frequências abaixo de um décimo de hertz, podemos decodificar os 'estados cerebrais' de um animal ”. Garrido acredita que essa tecnologia pode levar a novos tratamentos para doenças cerebrais como a epilepsia, já que certos padrões de sinal característicos podem revelar 'estados cerebrais' que podem levar a convulsões.

Para testar o dispositivo, eles o implantaram no cérebro de um rato que se comporta livremente, monitorando-o continuamente. Os sinais foram transmitidos sem fio por meio de um headstage eletrônico miniaturizado desenvolvido pela parceira industrial Multichannel Systems. Os cientistas descobriram que as características do sinal medidas durante diferentes tipos de atividade cerebral, como durante os períodos de alta atividade ou durante o sono - os chamados 'estados cerebrais' - correlacionavam-se muito bem com os sinais infra-lentos decodificados pelo sistema baseado em grafeno implantar.

Além disso, Kostas Kostarelos e colegas do parceiro Graphene Flagship da Universidade de Manchester, no Reino Unido, testaram a biocompatibilidade dos dispositivos. Eles não encontraram nenhuma inflamação, além da esperada a partir da implantação do dispositivo, ao longo de toda a duração de 12 semanas de seus testes, e o dispositivo não se degradou durante esse período.

“É muito notável ver que podemos identificar e correlacionar adequadamente os estados cerebrais dos animais com a atividade infra-lenta medida”, diz Garrido. Agora, a próxima etapa será explorar os aplicativos comerciais. “Já estamos colaborando com algumas empresas interessadas nessa tecnologia e pretendemos traduzi-la em um produto - e, além disso, levá-la a clínicas e hospitais”, finaliza.

Serge Picaud, vice-líder do pacote de trabalho de tecnologias biomédicas da Graphene Flagship, comenta: “As novas tecnologias são sempre um vetor para novas descobertas. Nesse caso, os sensores de grafeno nos deram acesso às ondas cerebrais infra-lentas. Registrá-los em modelos animais e pacientes demonstrará se podemos realmente confiar nessas novas medições para diagnósticos precisos e opções de tratamento em pacientes com doenças cerebrais graves, como epilepsia ”.

Andrea C. Ferrari, Oficial de Ciência e Tecnologia do Graphene Flagship e Presidente de seu painel de gerenciamento, acrescenta: “O Graphene Flagship reconheceu o potencial do grafeno e de materiais em camadas para aplicações biológicas desde o início. Este notável trabalho nos aproxima de aplicações nesta área, com uma nova ferramenta habilitada pelas propriedades únicas do grafeno. ”

Referências
Garcia-Cortadella, Ramon, et al. " Matrizes de sensores ativos de grafeno para mapeamento de longo prazo e sem fio da atividade cerebral epicortical de banda larga ." Nature Communications 12.1 (2021): 1-17.

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