Forskare har framgångsrikt visat hur det är möjligt att koppla ihop grafen - en tvådimensionell form av kol - med neuroner, eller nervceller, samtidigt som dessa vitala cellers integritet bibehålls. Arbetet kan användas för att bygga grafenbaserade elektroder som säkert kan implanteras i hjärnan, erbjuder löfte om återställande av sensoriska funktioner för amputerade eller förlamade patienter, eller för personer med motoriska störningar som epilepsi eller Parkinsons sjukdom.
Forskningen, publicerad i tidningen ACS Nano , var ett tvärvetenskapligt samarbete som samordnades av University of Trieste i Italien och Cambridge Graphene Center.
Tidigare, andra grupper hade visat att det är möjligt att använda behandlad grafen för att interagera med neuroner. Emellertid var signal till brusförhållandet från detta gränssnitt mycket lågt. Genom att utveckla metoder för att arbeta med obehandlad grafen, forskarna behöll materialets elektriska konduktivitet, vilket gör den till en betydligt bättre elektrod.
"För första gången kopplade vi grafen direkt till neuroner, "sade professor Laura Ballerini vid universitetet i Trieste i Italien." Vi testade sedan neurons förmåga att generera elektriska signaler som är kända för att representera hjärnaktiviteter, och fann att neuronerna behöll sina neuronala signalegenskaper oförändrade. Detta är den första funktionella studien av neuronal synaptisk aktivitet med obestruket grafenbaserat material. "
Vår förståelse av hjärnan har ökat i en sådan grad att vi genom gränssnitt direkt mellan hjärnan och omvärlden nu kan utnyttja och kontrollera några av dess funktioner. Till exempel, genom att mäta hjärnans elektriska impulser, sensoriska funktioner kan återställas. Detta kan användas för att styra robotarmar för amputerade patienter eller valfritt antal grundläggande processer för förlamade patienter - från tal till rörelse av föremål i omvärlden. Alternativt, genom att störa dessa elektriska impulser, motoriska störningar (såsom epilepsi eller Parkinsons) kan börja kontrolleras.
Forskare har gjort detta möjligt genom att utveckla elektroder som kan placeras djupt i hjärnan. Dessa elektroder ansluter direkt till neuroner och överför sina elektriska signaler bort från kroppen, så att deras mening kan avkodas.
Dock, gränssnittet mellan neuroner och elektroder har ofta varit problematiskt:inte bara behöver elektroderna vara mycket känsliga för elektriska impulser, men de måste vara stabila i kroppen utan att ändra vävnaden de mäter.
Alltför ofta lider de moderna elektroderna som används för detta gränssnitt (baserat på volfram eller kisel) av partiell eller fullständig signalförlust över tid. Detta orsakas ofta av bildandet av ärrvävnad från elektrodinsättningen, som hindrar elektroden från att röra sig med hjärnans naturliga rörelser på grund av dess styva natur.
Grafen har visat sig vara ett lovande material för att lösa dessa problem, på grund av dess utmärkta konduktivitet, flexibilitet, biokompatibilitet och stabilitet i kroppen.
Baserat på experiment som utförts i råtthjärncellkulturer, forskarna fann att obehandlade grafenelektroder hade bra kontakt med neuroner. Genom att studera neuronerna med elektronmikroskopi och immunfluorescens fann forskarna att de förblev friska, överföra normala elektriska impulser och, viktigt, ingen av de biverkningar som leder till skadlig ärrvävnad sågs.
Enligt forskarna, detta är det första steget mot att använda orörda grafenbaserade material som en elektrod för ett neuro-gränssnitt. I framtiden, forskarna kommer att undersöka hur olika former av grafen, från flera lager till monoskikt, kan påverka neuroner, och om justering av grafens materialegenskaper kan förändra synapserna och neuronal excitabilitet på nya och unika sätt. "Förhoppningsvis kommer detta att bana väg för bättre djupa hjärnimplantat för både sele och kontroll av hjärnan, med högre känslighet och färre oönskade biverkningar, sa Ballerini.
"Vi är för närvarande engagerade i frontlinjeforskning inom grafenteknik mot biomedicinska tillämpningar, "sade professor Maurizio Prato från universitetet i Trieste." I detta scenario, utvecklingen och översättningen inom neurologi av grafenbaserade högpresterande bioenheter kräver utforskning av interaktionerna mellan grafenanano- och mikroark med den sofistikerade signalmaskinen i nervceller. Vårt arbete är bara ett första steg i den riktningen. "
"Dessa inledande resultat visar hur vi bara kliar på toppen av ett isberg när det gäller grafens potential och relaterade material inom bioapplikationer och medicin, "sade professor Andrea Ferrari, Direktör för Cambridge Graphene Center. "Den expertis som utvecklats vid Cambridge Graphene Center gör att vi kan producera stora mängder orört material i lösning, och denna studie bevisar kompatibiliteten mellan vår process och neuro-gränssnitt. "
