De hoeveelheid kennis over het menselijk brein blijft groeien, maar veel vragen blijven onbeantwoord. Onderzoekers gebruiken al tientallen jaren elektrode-arrays om de elektrische activiteit van de hersenen vast te leggen, waarbij ze de activiteit in verschillende hersengebieden in kaart brengen om te begrijpen hoe het eruit ziet als alles werkt en wat er gebeurt als dat niet het geval is. Tot nu toe waren deze arrays echter alleen in staat om activiteit boven een bepaalde frequentiedrempel te detecteren. Een nieuwe technologie ontwikkeld door het Graphene Flagship overwint deze technische beperking, ontsluit de schat aan informatie die gevonden wordt onder 0,1 Hz, terwijl het de weg vrijmaakt voor toekomstige brain-computer interfaces.
Het nieuwe apparaat is ontwikkeld dankzij een samenwerking tussen drie Graphene Flagship Partners (IMB-CNM, ICN2 en ICFO) en aangepast voor hersenopnames samen met biomedische experts van IDIBAPS. Deze nieuwe technologie verwijdert elektroden en maakt gebruik van een innovatieve, op transistors gebaseerde architectuur die de signalen van de hersenen in situ versterkt voordat ze naar een ontvanger worden verzonden. Het gebruik van grafeen om deze nieuwe architectuur te bouwen, betekent dat het resulterende implantaat veel meer opnamelocaties kan ondersteunen dan een standaard elektrode-array. Het is slank en flexibel genoeg om over grote delen van de cortex te worden gebruikt zonder te worden afgewezen of de normale hersenfunctie te verstoren. Het resultaat is een ongekende mapping van de laagfrequente hersenactiviteit waarvan bekend is dat deze cruciale informatie over verschillende gebeurtenissen bevat,
Voor neurologen betekent dit dat ze eindelijk toegang hebben tot enkele aanwijzingen die onze hersenen alleen maar fluisteren. Deze baanbrekende technologie zou de manier kunnen veranderen waarop we elektrische activiteit vanuit de hersenen registreren en bekijken. Toekomstige toepassingen zullen ongekende inzichten geven in waar en hoe aanvallen beginnen en eindigen, waardoor nieuwe benaderingen voor de diagnose en behandeling van epilepsie mogelijk worden.
"Naast epilepsie heeft deze nauwkeurige mapping en interactie met de hersenen nog andere opwindende toepassingen", legt José Antonio Garrido uit, een van de leiders van de studie bij Graphene Flagship Partner ICN2. "In tegenstelling tot de gebruikelijke standaard passieve elektroden, zal onze actieve op grafeen gebaseerde transistortechnologie de implementatie van nieuwe multiplexstrategieën stimuleren die het aantal opnameplaatsen in de hersenen drastisch kunnen verhogen, wat leidt tot de ontwikkeling van een nieuwe generatie hersen-computerinterfaces ." Door gebruik te maken van 'multiplexing', kan deze technologie met grafeen ook door sommige van dezelfde onderzoekers worden aangepast om spraak en communicatie te herstellen. ICN2 heeft deze technologie veiliggesteld door middel van een patent dat het gebruik van op grafeen gebaseerde transistors voor het meten van laagfrequente neurale signalen beschermt.
"Dit werk is een goed voorbeeld van hoe een flexibele, op grafeen gebaseerde transistorarray-technologie mogelijkheden kan bieden die verder gaan dan wat tegenwoordig haalbaar is, en enorme mogelijkheden biedt voor lezen op onontgonnen frequenties van neurologische activiteit", aldus Kostas Kostarlos, leider van de Health , Medicine and Sensors Division van het Graphene Flagship.
Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship, en voorzitter van het Management Panel, voegde toe dat "grafeen en aanverwante materialen grote kansen bieden voor biomedische toepassingen. Het Graphene Flagship erkende dit door een speciaal werkpakket te financieren. De resultaten hiervan studie zijn een duidelijke demonstratie dat grafeen ongekende vooruitgang kan brengen in de studie van hersenprocessen."
Deze nieuwe technologie zal een van de belangrijkste attracties van het Graphene Pavilion zijn op het komende Mobile World Congress in Barcelona (25-28 februari 2019). De tentoonstelling toont de nieuwste innovaties op het gebied van grafeen en aanverwante materialen die mogelijk zijn gemaakt door het Graphene Flagship, een van de grootste onderzoeksinitiatieven die ooit door de Europese Commissie zijn gefinancierd. Naast toepassingen in gezondheids- en medische apparaten, zal het paviljoen worden gevuld met nieuwe prototypen van grafeen-technologieën voor mobiele en datacommunicatie, wearables en het internet der dingen.
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190124105309.htm
https://www.cam.ac.uk/research/news/graphene-shown-to-safely-interact-with-neurons-in-the-brain
Voor Grafeen is aangetoond dat het veilig interageert met neuronen in de hersenen
Onderzoekers hebben aangetoond dat grafeen kan worden gebruikt om elektroden te maken die in de hersenen kunnen worden geïmplanteerd, die mogelijk kunnen worden gebruikt om sensorische functies te herstellen voor geamputeerde of verlamde patiënten, of voor personen met motorische stoornissen zoals de ziekte van Parkinson.
We bevinden ons nog maar op het topje van de ijsberg als het gaat om het potentieel van grafeen en verwante materialen in bio-toepassingen en medicijnen.
Andrea Ferrari
Onderzoekers hebben met succes aangetoond hoe het mogelijk is om grafeen - een tweedimensionale vorm van koolstof - te koppelen aan neuronen of zenuwcellen, terwijl de integriteit van deze vitale cellen behouden blijft. Het werk kan worden gebruikt om op grafeen gebaseerde elektroden te bouwen die veilig in de hersenen kunnen worden geïmplanteerd, wat veelbelovend is voor het herstel van sensorische functies voor geamputeerde of verlamde patiënten, of voor personen met motorische stoornissen zoals epilepsie of de ziekte van Parkinson.
Het onderzoek , gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , was een interdisciplinaire samenwerking gecoördineerd door de Universiteit van Trieste in Italië en het Cambridge Graphene Centre.
Eerder hadden andere groepen aangetoond dat het mogelijk is om behandeld grafeen te gebruiken voor interactie met neuronen. De signaal-ruisverhouding van deze interface was echter erg laag. Door methoden te ontwikkelen om met onbehandeld grafeen te werken, behielden de onderzoekers de elektrische geleidbaarheid van het materiaal, waardoor het een aanzienlijk betere elektrode werd.
"Voor het eerst hebben we grafeen rechtstreeks met neuronen gekoppeld", zegt professor Laura Ballerini van de Universiteit van Triëst in Italië. "Vervolgens testten we het vermogen van neuronen om elektrische signalen te genereren waarvan bekend is dat ze hersenactiviteiten vertegenwoordigen, en ontdekten dat de neuronen hun neuronale signaaleigenschappen ongewijzigd behielden. Dit is de eerste functionele studie van neuronale synaptische activiteit met behulp van ongecoate op grafeen gebaseerde materialen."
Ons begrip van de hersenen is in zo'n mate toegenomen dat we door een directe verbinding tussen de hersenen en de buitenwereld nu enkele van zijn functies kunnen benutten en beheersen. Door bijvoorbeeld de elektrische impulsen van de hersenen te meten, kunnen sensorische functies worden hersteld. Dit kan worden gebruikt om robotarmen te besturen voor geamputeerde patiënten of een aantal basisprocessen voor verlamde patiënten - van spraak tot beweging van objecten in de wereld om hen heen. Als alternatief kunnen motorische stoornissen (zoals epilepsie of Parkinson) onder controle worden gebracht door deze elektrische impulsen te verstoren.
Wetenschappers hebben dit mogelijk gemaakt door elektroden te ontwikkelen die diep in de hersenen kunnen worden geplaatst. Deze elektroden maken rechtstreeks verbinding met neuronen en zenden hun elektrische signalen weg van het lichaam, waardoor hun betekenis kan worden gedecodeerd.
De interface tussen neuronen en elektroden is echter vaak problematisch geweest: de elektroden moeten niet alleen zeer gevoelig zijn voor elektrische impulsen, maar ze moeten ook stabiel in het lichaam zijn zonder het weefsel dat ze meten te veranderen.
Te vaak hebben de moderne elektroden die voor deze interface worden gebruikt (gebaseerd op wolfraam of silicium) na verloop van tijd een gedeeltelijk of volledig signaalverlies. Dit wordt vaak veroorzaakt door de vorming van littekenweefsel door het inbrengen van de elektrode, waardoor de elektrode niet kan meebewegen met de natuurlijke bewegingen van de hersenen vanwege het rigide karakter.
Het is aangetoond dat grafeen een veelbelovend materiaal is om deze problemen op te lossen, vanwege de uitstekende geleidbaarheid, flexibiliteit, biocompatibiliteit en stabiliteit in het lichaam.
Op basis van experimenten uitgevoerd in celculturen van rattenhersenen, ontdekten de onderzoekers dat onbehandelde grafeenelektroden goed contact maakten met neuronen. Door de neuronen te bestuderen met elektronenmicroscopie en immunofluorescentie ontdekten de onderzoekers dat ze gezond bleven, normale elektrische impulsen doorgaven en, belangrijker nog, geen van de bijwerkingen die tot het schadelijke littekenweefsel leidden, werden gezien.
Volgens de onderzoekers is dit de eerste stap naar het gebruik van ongerepte, op grafeen gebaseerde materialen als elektrode voor een neuro-interface. In de toekomst zullen de onderzoekers onderzoeken hoe verschillende vormen van grafeen, van meerdere lagen tot monolagen, neuronen kunnen beïnvloeden, en of het afstemmen van de materiaaleigenschappen van grafeen de synapsen en neuronale prikkelbaarheid op nieuwe en unieke manieren kan veranderen. "Hopelijk zal dit de weg vrijmaken voor betere diepe hersenimplantaten om de hersenen zowel te benutten als te beheersen, met een hogere gevoeligheid en minder ongewenste bijwerkingen", zei Ballerini.
"We zijn momenteel betrokken bij frontlinieonderzoek in grafeentechnologie voor biomedische toepassingen", zegt professor Maurizio Prato van de Universiteit van Triëst. "In dit scenario vereist de ontwikkeling en vertaling in de neurologie van op grafeen gebaseerde hoogwaardige biodevices de verkenning van de interacties tussen grafeen-nano- en micro-sheets met de geavanceerde signaalmachines van zenuwcellen. Ons werk is slechts een eerste stap in die richting.”
"Deze eerste resultaten laten zien dat we nog maar op het topje van de ijsberg staan als het gaat om het potentieel van grafeen en verwante materialen in bio-toepassingen en medicijnen", zegt professor Andrea Ferrari, directeur van het Cambridge Graphene Centre. "De expertise die is ontwikkeld in het Cambridge Graphene Center stelt ons in staat om grote hoeveelheden ongerept materiaal in oplossing te produceren, en deze studie bewijst de compatibiliteit van ons proces met neuro-interfaces."
Het onderzoek werd gefinancierd door het Graphene Flagship, een Europees initiatief dat een gezamenlijke benadering van onderzoek promoot met als doel grafeen uit het academische laboratorium, via de lokale industrie en in de samenleving te vertalen.
0 Comments