Des chercheurs ont démontré avec succès comment il est possible d'interfacer le graphène - une forme bidimensionnelle de carbone - avec des neurones, ou des cellules nerveuses, tout en maintenant l'intégrité de ces cellules vitales. Le travail peut être utilisé pour construire des électrodes à base de graphène qui peuvent être implantées en toute sécurité dans le cerveau, promettant la restauration des fonctions sensorielles des patients amputés ou paralysés, ou pour les personnes souffrant de troubles moteurs tels que l'épilepsie ou la maladie de Parkinson.
La recherche, publié dans la revue ACS Nano , était une collaboration interdisciplinaire coordonnée par l'Université de Trieste en Italie et le Cambridge Graphene Centre.
Précédemment, d'autres groupes avaient montré qu'il était possible d'utiliser du graphène traité pour interagir avec les neurones. Cependant, le rapport signal sur bruit de cette interface était très faible. En développant des méthodes de travail avec du graphène non traité, les chercheurs ont conservé la conductivité électrique du matériau, ce qui en fait une électrode nettement meilleure.
« Pour la première fois, nous avons directement interfacé le graphène aux neurones, " a déclaré le professeur Laura Ballerini de l'Université de Trieste en Italie. " Nous avons ensuite testé la capacité des neurones à générer des signaux électriques connus pour représenter les activités cérébrales, et a constaté que les neurones conservaient leurs propriétés de signalisation neuronale inchangées. Il s'agit de la première étude fonctionnelle de l'activité synaptique neuronale utilisant des matériaux à base de graphène non enrobés. »
Notre compréhension du cerveau s'est tellement améliorée qu'en s'interfaçant directement entre le cerveau et le monde extérieur, nous pouvons désormais exploiter et contrôler certaines de ses fonctions. Par exemple, en mesurant les impulsions électriques du cerveau, les fonctions sensorielles peuvent être récupérées. Cela peut être utilisé pour contrôler les bras robotiques pour les patients amputés ou un certain nombre de processus de base pour les patients paralysés - de la parole au mouvement des objets dans le monde qui les entoure. Alternativement, en interférant avec ces impulsions électriques, les troubles moteurs (comme l'épilepsie ou la maladie de Parkinson) peuvent commencer à être contrôlés.
Les scientifiques ont rendu cela possible en développant des électrodes qui peuvent être placées profondément dans le cerveau. Ces électrodes se connectent directement aux neurones et transmettent leurs signaux électriques loin du corps, permettant de décoder leur sens.
Cependant, l'interface entre les neurones et les électrodes a souvent été problématique :non seulement les électrodes doivent être très sensibles aux impulsions électriques, mais ils doivent être stables dans le corps sans altérer les tissus qu'ils mesurent.
Trop souvent les électrodes modernes utilisées pour cette interface (à base de tungstène ou de silicium) souffrent d'une perte partielle ou totale de signal dans le temps. Ceci est souvent causé par la formation de tissu cicatriciel à partir de l'insertion de l'électrode, qui empêche l'électrode de se déplacer avec les mouvements naturels du cerveau en raison de sa nature rigide.
Le graphène s'est avéré être un matériau prometteur pour résoudre ces problèmes, en raison de son excellente conductivité, la flexibilité, biocompatibilité et stabilité dans le corps.
Sur la base d'expériences menées sur des cultures de cellules cérébrales de rat, les chercheurs ont découvert que les électrodes de graphène non traitées s'interfacent bien avec les neurones. En étudiant les neurones par microscopie électronique et immunofluorescence, les chercheurs ont découvert qu'ils restaient en bonne santé, transmettre des impulsions électriques normales et, surtout, aucune des réactions défavorables qui mènent au tissu cicatriciel dommageable n'a été vue.
Selon les chercheurs, il s'agit de la première étape vers l'utilisation de matériaux à base de graphène vierge comme électrode pour une interface neuronale. Dans le futur, les chercheurs étudieront comment différentes formes de graphène, des couches multiples aux monocouches, sont capables d'affecter les neurones, et si le réglage des propriétés matérielles du graphène pourrait modifier les synapses et l'excitabilité neuronale de manière nouvelle et unique. "J'espère que cela ouvrira la voie à de meilleurs implants cérébraux profonds pour à la fois exploiter et contrôler le cerveau, avec une sensibilité plus élevée et moins d'effets secondaires indésirables, " dit Ballerini.
« Nous sommes actuellement impliqués dans la recherche de pointe en technologie du graphène vers des applications biomédicales, " a déclaré le professeur Maurizio Prato de l'Université de Trieste. " Dans ce scénario, le développement et la traduction en neurologie de biodispositifs haute performance à base de graphène nécessitent l'exploration des interactions entre les nano- et micro-feuillets de graphène avec la machinerie de signalisation sophistiquée des cellules nerveuses. Notre travail n'est qu'un premier pas dans cette direction."
"Ces premiers résultats montrent à quel point nous ne faisons qu'effleurer la pointe d'un iceberg en ce qui concerne le potentiel du graphène et des matériaux associés dans les bio-applications et la médecine, " a déclaré le professeur Andrea Ferrari, Directeur du Cambridge Graphene Centre. "L'expertise développée au Cambridge Graphene Center nous permet de produire de grandes quantités de matière vierge en solution, et cette étude prouve la compatibilité de notre procédé avec les neuro-interfaces."
