Graphene-Flagship-Wissenschaftler haben einen Sensor auf Basis von CVD-Graphen entwickelt, der Gehirnsignale in einem breiten Frequenzband erfasst, von extrem niedrigen Frequenzen bis hin zu hochfrequenten Schwingungen. Der Sensor ist biokompatibel und könnte zur Messung und Vorhersage von Gehirnzuständen eingesetzt werden. Außerdem könnten die Graphen-Sensoren aufgrund ihrer hohen Stabilität im Gehirn in chronischen Implantaten eingesetzt werden.
Die Studie wurde von Wissenschaftlern der Graphene-Flagship-Partner Katalanisches Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (ICN2), Institut für Mikroelektronik in Barcelona (CSIC), CIBER-BBN und ICREA, Spanien, Ludwig-Maximilians-Universität, Deutschland, und der Universität Manchester, Großbritannien, in Zusammenarbeit mit dem Graphene-Flagship-Partner Multi Channel Systems GmbH, Deutschland, durchgeführt.
Das Konsortium zeigte, dass Graphen-basierte Sensoren Zugang zu einem schwer fassbaren niederfrequenten Bereich der Gehirnaktivität gewähren. Derzeitige Methoden zur Erkennung von Hirnströmen verwenden metallische Elektroden, die bei der Messung sehr niederfrequenter Aktivität – bekannt als der “Infra-Slow”-Bereich – ineffektiv sind. Dank der Empfindlichkeit von Graphen können Wissenschaftler nun problemlos Informationen aus diesem Bereich sammeln und ein besseres Bild der Gehirnaktivität von Tieren zeichnen. Dies könnte die Grundlage für neuartige neurotherapeutische Medizintechnik bilden.
Mit Hilfe einer Technologie, die vom ICN2 und dem Mikroelektronik-Institut in Barcelona im Rahmen der europäischen Projekte Graphene Flagship und BrainCom entwickelt wurde, bauten die Wissenschaftler ein Array von Transistoren, die Aktivitätsinformationen aufzeichnen und übertragen, wenn sie ins Gehirn implantiert werden. Der Sensor hat kleine Kanäle auf der Oberfläche: Wenn sie mit dem Hirngewebe in Kontakt kommen, verursachen die elektrischen Signale im Gehirn kleine Änderungen der Leitfähigkeit. Diese Änderungen erzeugen ein Signal und werden aufgezeichnet, um einen “Fingerabdruck” der Gehirnaktivität zu erstellen.
“Mit unserer Anordnung von Geräten, die auf CVD-Graphen basieren, können wir Signale aus dem infraroten Bereich mit sehr hoher Genauigkeit aufzeichnen”, erklärt Jose Garrido vom Graphene-Flagship-Partner ICN2, Spanien. “Im Gehirn gibt es eine Korrelation zwischen niedrigeren und höheren Frequenzen der Gehirnaktivität, so dass die niedrigeren Frequenzen dazu neigen, zu diktieren, wie die höheren Frequenzen aussehen. Wir haben gezeigt, dass wir durch die Messung der infra-langsamen Aktivität, mit Frequenzen unter einem Zehntel Hertz, die ‘Gehirnzustände’ eines Tieres entschlüsseln können.” Garrido glaubt, dass diese Technologie zu neuen Behandlungsmöglichkeiten für Hirnkrankheiten wie Epilepsie führen könnte, da bestimmte charakteristische Signalmuster “Hirnzustände” aufzeigen könnten, die wahrscheinlich zu Anfällen führen.
Um das Gerät zu testen, implantierten sie es in das Gehirn einer sich frei verhaltenden Ratte und überwachten es kontinuierlich. Die Signale wurden drahtlos über eine vom Industriepartner Multichannel Systems entwickelte miniaturisierte elektronische Kopfbühne übertragen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Signalcharakteristiken, die während verschiedener Arten von Hirnaktivität gemessen wurden, wie zum Beispiel während Perioden hoher Aktivität oder während des Schlafs – den so genannten “Hirnzuständen” – sehr gut mit den von dem Graphen-basierten Implantat dekodierten Infraschallsignalen korrelierten.
Darüber hinaus testeten Kostas Kostarelos und Kollegen vom Graphene-Flagship-Partner, der University of Manchester, Großbritannien, die Biokompatibilität der Geräte. Sie fanden über die gesamte 12-wöchige Dauer ihrer Tests keine Entzündung, außer der, die durch die Implantation des Geräts zu erwarten war, und das Gerät degradierte in diesem Zeitraum nicht.
“Es ist sehr bemerkenswert zu sehen, dass wir die Gehirnzustände der Tiere richtig identifizieren und mit der gemessenen Infra-Slow-Aktivität korrelieren können”, sagt Garrido. Der nächste Schritt wird nun sein, kommerzielle Anwendungen zu erforschen. “Wir arbeiten bereits mit einigen Unternehmen zusammen, die an dieser Technologie interessiert sind, und unser Ziel ist es, sie in ein Produkt umzusetzen – und darüber hinaus in Kliniken und Krankenhäuser zu bringen”, schließt er ab.
Serge Picaud, stellvertretender Leiter des Graphene Flagship’s Biomedical Technologies Work Package, kommentiert: “Neuartige Technologien sind immer ein Vektor für neue Entdeckungen. In diesem Fall haben uns die Graphen-Sensoren den Zugang zu den infra-langsamen Gehirnwellen ermöglicht. Deren Aufzeichnung in Tiermodellen und Patienten wird zeigen, ob wir uns tatsächlich auf diese neuen Messungen verlassen können, um präzise Diagnosen und Behandlungsmöglichkeiten bei Patienten mit schweren Hirnerkrankungen wie Epilepsie zu erhalten.”
Andrea C. Ferrari, Wissenschafts- und Technologiebeauftragter des Graphene Flagship und Vorsitzender des Leitungsgremiums, fügt hinzu: “Das Graphene Flagship hat das Potenzial von Graphen und geschichteten Materialien für biologische Anwendungen früh erkannt. Diese bemerkenswerte Arbeit bringt uns näher an Anwendungen in diesem Bereich, mit einem neuartigen Werkzeug, das durch die einzigartigen Eigenschaften von Graphen ermöglicht wird.”
