I recenti sviluppi su una nuova piattaforma di rilevamento basata sul grafene, che fornisce misurazioni ad alta risoluzione e in tempo reale dell’attività cerebrale, potrebbero essere la porta per sbloccare una comprensione superiore del cervello. Questa ricerca, sviluppata nell’ambito del progetto UE BrainCom, coordinato dal Prof. Jose A. Garrido dell’ICREA, leader dell’ICN2 Advanced Electronic Materials and Devices Group, è riportata in quattro articoli recentemente pubblicati su riviste ad alto impatto.
Probabilmente, una migliore comprensione dei principi di funzionamento del cervello umano rimane una delle principali sfide scientifiche del nostro tempo. Nonostante i significativi progressi compiuti negli ultimi anni nel campo della neurotecnologia, le interfacce di rilevamento neurale non soddisfano ancora allo stesso modo i requisiti di biocompatibilità, sensibilità e alta risoluzione spazio-temporale. Il progetto di ricerca dell’Unione Europea Horizon 2020 BrainCom , coordinato dall’ICN2 Advanced Electronic Materials and Devices Group guidato dal Prof. José A. Garrido dell’ICREA, sta affrontando questi problemi. BrainCom riunisce esperti nel campo delle neurotecnologie, delle neuroscienze e dell’etica per sviluppare nuove tecnologie in grado di superare questi limiti e far luce sui meccanismi di codificazione ed elaborazione delle informazioni nel cervello.
In quattro articoli di ricerca pubblicati tra marzo e aprile 2020 — presenti in Elsevier’s Carbon , IOP’s 2D Materials , Wiley’s Small e Nano Letters dell’American Chemical Society — i ricercatori del consorzio BrainCom presentano i progressi tecnologici raggiunti nel progetto, discutono in modo approfondito la metodologia e dimostrano nuove capacità per il rilevamento ad alta risoluzione dell’attività elettrica del cervello.
I recenti sviluppi sfruttano le proprietà uniche del grafene, uno strato di carbonio spesso come un atomo, che si conforma alla superficie morbida e contorta del cervello fornendo un’eccellente interfaccia di rilevamento neurale. I sensori al grafene hanno un ulteriore vantaggio che rappresenta una svolta nell’ingegneria neurale: il meccanismo di rilevamento di questi sensori attivi al grafene (i cosiddetti transistor) è compatibile con il multiplexing elettronico, una tecnologia che consente di trasmettere i segnali rilevati da più sensori attraverso un unico micrometrico filo.
Questa tecnologia, sviluppata in stretta collaborazione con il Dr Anton Guimerà presso l’Istituto CSIC di Microelettronica di Barcellona (IMB-CNM, CSIC), è stata valutata in studi preclinici presso il laboratorio del neuroscienziato Prof. Anton Sirota presso la Ludwig-Maximilians Universität (LMU, Monaco). Un approccio collaborativo e multidisciplinare è fondamentale per il successo del progetto, che mira ad affrontare una sfida scientifica e tecnologica molto difficile.
Il cervello umano ha una complessità sorprendente, composta da ben 100 miliardi di neuroni. Per comprendere appieno i principi alla base di un tale sistema contorto è necessario il rilevamento simultaneo dell’attività elettrica di grandi popolazioni neurali con un’elevata risoluzione spaziale e temporale. Sfortunatamente, le attuali tecnologie di rilevamento neurale presentano un compromesso tra risoluzione spaziale e copertura di un’ampia area della superficie cerebrale. Il lavoro svolto dai ricercatori del progetto BrainCom mostra come i sensori a base di grafene rappresentino un elemento costitutivo eccezionale per interfacce neurali su larga scala e altamente sensibili.
Come spiegato negli articoli pubblicati di recente, i sensori di grafene possono essere ridotti alle dimensioni di circa un singolo neurone, pur mantenendo un’elevata qualità del segnale. Inoltre, la loro sensibilità si espande su un’ampia gamma di frequenze; da oscillazioni infra-lente a segnali molto veloci elicitati dalle singole cellule.
Questi risultati aprono la strada a un ampliamento della tecnologia dei sensori al grafene verso array con un conteggio ultra elevato di sensori. Tali interfacce neurali biocompatibili e ad alta larghezza di banda possono avere un grande impatto sullo sviluppo di neuroprotesi, che consentono una comunicazione diretta tra il cervello e un computer.
Questi risultati rappresentano il frutto di iniziative di ricerca a lungo termine dell’UE, che perseguono l’ambizioso obiettivo di ripristinare la parola nei pazienti con disabilità leggendo i segnali nel loro cervello, che sono correlati al loro discorso intenzionale. Il consorzio di ricerca si concentrerà ora sull’aumento della produzione di queste interfacce neurali e sul test delle loro prestazioni in studi clinici sicuri sull’uomo. Questa e altre applicazioni dei sensori al grafene sono supportate anche dalla EU Graphene Flagship nell’ambito del pacchetto di lavoro Tecnologie biomediche.
Reference Articles:
R. Garcia-Cortadella, et.al., Distortion‐Free Sensing of Neural Activity Using Graphene Transistors, Small 1906640, March 2020. DOI: 10.1002/smll.201906640
N. Schäefer, et.al., Multiplexed neural sensor array of graphene solution-gated field-effect transistors, 2D Materials 7(2), 2020. DOI: 10.1088/2053-1583/ab7976
N. Schäefer, et.al., Improved metal-graphene contacts for low-noise, high-density microtransistor arrays for neural sensing, Carbon 161, 647-655, 2020. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.01.066
R. Garcia-Cortadella, et.al., Switchless multiplexing of graphene active sensor arrays for brain mapping, Nano Letters, 2020. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00467
