Grafeno y microelectrónica para descifrar lo insondable de las enfermedades neuronales

El grafeno, con su alta conductividad, flexibilidad y biocompatibilidad, es el perfecto aliado para descifrar la actividad eléctrica del cerebro y explorar terapias para enfermedades neurológicas, según han demostrado en los últimos años los expertos en el tema, incluyendo los investigadores del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB), adscrito al Centro Nacional de Microelectrónica (CNM) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España.

Aplicar estos avances al diagnóstico y tratamiento de enfermedades como la epilepsia y el párkinson está cada vez más cerca, ya que ahora la empresa de base tecnológica Inbrain Neuroelectronics, cofundada por investigadores del CSIC, está desarrollando transistores de grafeno en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB.

La comunidad científica llevaba años desarrollando materiales para avanzar en el conocimiento del cerebro y de las señales involucradas en enfermedades como la epilepsia o el párkinson, que no se pueden conocer con la tecnología de electrodos que se usa hasta ahora. “Para comprender mejor las enfermedades cerebrales necesitamos registrar y mapear con fiabilidad una amplia gama de frecuencias, incluidas las ultralentas, usando la misma matriz de sensores”, explica Anton Guimerà, científico del IMB.

Proyectos europeos como Graphene Flagship y BrainCom han dado forma a la colaboración internacional de instituciones de investigación punteras para profundizar en este conocimiento y en la aplicación del grafeno. Estos consorcios han agrupado al IMB, al Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y el Centro de Investigación Biomédica en Red, entre otros. Su éxito más reciente ha sido el desarrollo de transistores de grafeno capaces de detectar frecuencias cerebrales extremadamente bajas (una investigación que fue portada de la revista Nature Materials).

A partir de aquí, los transistores de grafeno consiguieron salir del ámbito científico y captar el interés de la industria. Por un lado, estas colaboraciones han dado lugar a tres patentes y un secreto industrial, de los que el CSIC es titular mayoritario junto con el ICN2. Por otro, en 2020 se creó la empresa de base tecnológica Inbrain Neuroelectronics para desarrollar tecnologías revolucionarias en el tratamiento de enfermedades neurológicas. Fue cofundada por Guimerà, y dos investigadores del ICN2, José A. Garrido y Kostas Kostarelos. Ahora, la compañía está fabricando transistores de grafeno en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del CSIC.

“Queremos hacer el primer ensayo clínico en seres humanos en 2023 para conseguir el mapeo cerebral para la resección de tumores y focos epilépticos”, indica Carolina Aguilar, ejecutiva de Inbrain Neuroelectronics, sobre los próximos objetivos de la empresa, que ya ha hecho pruebas en ratones y animales grandes. “Las pruebas las haremos en un centro asociado a la Universidad de Manchester, con quienes colaboramos, y será la primera vez que se usa el grafeno en el cerebro de un ser humano”, agrega. Posteriormente, “nos centraremos en el desarrollo de la plataforma a nivel crónico para la descodificación y tratamiento de enfermedades del cerebro”.

Microtransistores de grafeno en contacto directo con el tejido cerebral

Las interfaces cerebrales existentes se basan en metales, como el platino o el iridio, y pueden tener múltiples efectos secundarios. La tecnología desarrollada consiste en unos electrodos de grafeno nanoestructurado de dimensiones micrométricas y, por sus propiedades, aportan numerosas ventajas frente a los electrodos metálicos.

Los microtransistores son una hoja de grafeno en contacto directo con el tejido cerebral conectado por dos pistas de metal a la electrónica de registro. Estos dispositivos “se benefician de la propiedad de efecto campo del grafeno para implementar una amplificación local de señales neuronales”, agrega Guimerà. La actividad eléctrica del cerebro modula así la conductividad del material bidimensional, permitiendo el registro de la actividad cerebral.

Composición simulada donde se refleja la adaptación de una interfaz neuronal basada en transistores de grafeno con las circunvoluciones cerebrales. (Imagen: Inbrain)

El grafeno, cuyo desarrollo empezó a estudiarse hace poco más de una década, capacita así unas interfaces con menos restricciones en la miniaturización y la resolución de las señales cerebrales. Además, mediante técnicas de multiplexación (combinar dos o más señales y transmitirlas por un solo medio), facilita el aumento de los canales de registro sin incrementar el número de conexiones y simplifica su manejo. La adquisición de estas señales se basa en circuitos integrados o chips diseñados en el IMB, lo cual permite procesar el gran volumen de información que se extrae de la actividad cerebral.

“Gracias a la biocompatibilidad y la estabilidad electroquímica que ofrece, el transistor registra una amplia gama de frecuencias, incluidas las ultralentas, con la misma fidelidad que las micropipetas de vidrio, superando sus limitaciones de uso y permitiendo, por primera vez, el registro de estas señales en múltiples puntos del cerebro y de forma simultánea. Este hecho facilita el estudio de las señales ultralentas en el funcionamiento del cerebro y de sus patologías”, explica el investigador del IMB. “La meta es superar el estándar actual”, añade.

Más de un tercio de la población europea sufre algún tipo de enfermedad cerebral, con un alto coste social y sanitario. Es necesario desarrollar nuevas herramientas de diagnóstico y terapias más eficientes. Con los implantes de grafeno, se abre la posibilidad de dar una respuesta terapéutica adaptada a la condición clínica de cada paciente. (Fuente: Sabela Rey Cao / IMB / CSIC)