Nuevas sondas neuronales basadas en grafeno mejoran la detección de señales cerebrales epilépticas

Representación artística de las sondas y las señales
CSIC/ ICN2 | miércoles, 22 de diciembre de 2021

La capacidad de grabar y cartografiar todo el rango de señales cerebrales mediante sondas electrofisiológicas puede permitir un gran avance en la comprensión de las enfermedades cerebrales y facilitar el tratamiento clínico de los pacientes con diversos trastornos neurológicos. Sin embargo, las tecnologías actuales son limitadas en su capacidad para obtener con precisión, alta fidelidad y resolución espacial las señales cerebrales ultralentas o de baja frecuencia (<0.1 Hz). En un artículo publicado hoy en Nature Nanotechnology, un equipo internacional de investigadores presenta una sonda neuronal flexible fabricada con transistores de efecto de campo basados ​​en grafeno (Field-Effect Transistor o FET, en inglés), capaz de grabar todo el espectro de señales cerebrales, incluidos las de baja frecuencia. Esto demuestra la capacidad de estos dispositivos para detectar con alta fidelidad las marcas electrográficas propias del cerebro epiléptico.

La epilepsia es el trastorno cerebral grave más frecuente, y hasta el 30% de las personas que lo padecen no pueden controlar las crisis con los fármacos antiepilépticos tradicionales. Para los pacientes que no responden a los fármacos, la cirugía de la epilepsia puede ser una opción viable. La extirpación quirúrgica de la zona del cerebro donde se inician las crisis podría evitar las convulsiones. Sin embargo, el éxito de esta cirugía depende de que se identifique de forma precisa la zona a extirpar. Las señales epilépticas abarcan una amplia gama de frecuencias, mucho más amplia que la banda monitorizada por el electroencefalograma (EEG) convencional. Los biomarcadores electrográficos de una zona de inicio de crisis incluyen oscilaciones muy rápidas, así como actividad ultralenta y variaciones del potencial continuo (DC). Estos últimos, en particular, pueden proporcionar información muy relevante asociada al inicio de las crisis, pero rara vez se utilizan por el bajo rendimiento de los electrodos disponibles para detectar este tipo de señales cerebrales. La aplicación de esta nueva tecnología permitirá a los investigadores entender el papel de las oscilaciones infralentas en la susceptibilidad de sufrir una crisis epiléptica, así como mejorar la detección de biomarcadores electrofisiológicos clínicamente relevantes asociados a la enfermedad.

La sonda neuronal de profundidad desarrollada con grafeno por los autores del trabajo consiste en una matriz lineal de unos milímetros de longitud hecha de microtransistores integrados en un sustrato polimérico flexible de micrómetros de espesor. Estos dispositivos flexibles se implantaron en modelos animales que presentaban convulsiones y epilepsia. Los dispositivos implantados proporcionaron durante semanas un registro de las señales cerebrales epilépticas con un gran ancho de banda y una resolución espacial extraordinaria. Además, las pruebas exhaustivas de biocompatibilidad crónica confirmaron que no hubo daños significativos en los tejidos ni inflamación neuronal, lo que se atribuye a la biocompatibilidad de los materiales utilizados, incluido el grafeno, y a la naturaleza flexible del dispositivo.

La futura traslación clínica de esta tecnología ofrece la posibilidad de identificar y delimitar con mayor precisión las zonas del cerebro responsables de la aparición de las crisis antes de la intervención quirúrgica. Esto permitiría realizar resecciones menos extensas y obtener mejores resultados. Por extensión, esta tecnología también puede aplicarse para mejorar la comprensión de otras enfermedades neurológicas asociadas a señales cerebrales lentas de baja frecuencia, como las lesiones cerebrales traumáticas, los accidentes cerebrovasculares y la migraña.

“El desarrollo de neurotecnología basada en grafeno ha sido posible gracias a las capacidades de microfabricación de la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM-CSIC”, explica el investigador del CIBER-BBN Anton Guimerà sobre la Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS) reconocida por el Ministerio de Ciencia e Innovación.

Este trabajo ha estado liderado por el Prof. ICREA Jose A. Garrido, del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), el Dr. Anton Guimerà-Brunet, del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC y del CIBER-BBN, y el Dr. Rob Wykes, de la Universidad College London Queen Square Institute of Neurology (Reino Unido) y el Nanomedicine Lab de la University of Manchester (UK). El primer autor del artículo es el Dr. Andrea Bonaccini Calia, hasta hace poco en el grupo del ICN2. Este trabajo se ha realizado en el marco del Proyecto Europeo Graphene Flagship. La investigación se ha beneficiado de colaboraciones multidisciplinares y ha recibido valiosas contribuciones del personal investigador del Nanomedicine Lab de la Universidad de Manchester (UK), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y g.tec medical engineering GmbH (Austria).

Referencia del articulo:

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. DOI: