Innovativ hjärnimplantat med grafen
En startup baserad i Barcelona, Inbrain Neuroelectronics, har utvecklat ett nytt hjärnimplantat tillverkat av grafen och förbereder sig för sitt första test på människa i sommar. Tekniken, en typ av hjärn-datorgränssnitt (BCI), har väckt intresse eftersom de kan registrera signaler från hjärnan och överföra dem till en dator för analys. BCIs har använts för medicinska diagnoser, som kommunikationsmedel för personer som inte kan tala och för att kontrollera externa enheter, inklusive robotiska lemmar. Men Inbrain avser att förvandla sin BCI-teknologi till ett terapeutiskt verktyg för patienter med neurologiska problem som Parkinsons sjukdom.
Fördelarna med grafen i hjärnimplantat
Eftersom Inbrains chip är tillverkat av grafen har det vissa intressanta egenskaper, inklusive möjligheten att både registrera från och stimulera hjärnan. Detta kommer från att adressera ett nyckelproblem med de metalliska chipp som vanligtvis används i BCI-teknologi: Faradaiska reaktioner. Faradaiska reaktioner är en speciell typ av elektrokemiska processer som uppstår mellan en metallelektrod och en elektrolytlösning. Neurala vävnader består till stor del av vattenhaltiga elektrolyter, och med tiden minskar dessa reaktioner effektiviteten hos de metalliska chipp.
Därför har Inbrain ersatt metallerna som vanligtvis används i sådana chipp med grafen, ett material med utmärkt elektrisk ledningsförmåga. ”Metaller har Faradayiska reaktioner som faktiskt gör att alla elektroner interagerar med varandra, vilket försämrar deras effektivitet vid överföring av signaler tillbaka till hjärnan,” säger Carolina Aguilar, VD och medgrundare av Inbrain. Eftersom grafen i huvudsak är kol och inte en metall, säger Aguilar att chippet kan injicera 200 gånger mer laddning utan att skapa en Faradisk reaktion. Som ett resultat är materialet stabilt över de miljontals pulsar av stimulering som krävs av ett terapeutiskt verktyg.
Tillverkning och första testet på människa
Enligt Aguilar produceras grafenbaserade chippet på en wafer med hjälp av traditionell halvledarteknik. I renrumsanläggningar tillverkar Inbrain ett 10 mikrometer tjockt chip som består av ”grafenprickar” som varierar i storlek från 25 till 300 mikrometer. ”Denna mikrometer skala gör det möjligt för oss att få en unik upplösning vid avkodning av signaler från hjärnan och ger oss också mikrometern som krävs för stimulering eller modulering av hjärnan,” tillägger Aguilar.
Det första testet av plattformen på en mänsklig patient kommer snart att utföras vid University of Manchester, där det kommer att fungera som ett gränssnitt under resektion av en hjärntumör. När en tumör reser sig, måste kirurger säkerställa att de inte skadar områden som hjärnans språkcentra för att undvika att patienten påverkas efter operationen. ”Chippet placeras under tumörresektionen så att det kan läsa, med mycket hög upplösning, signalerna som talar om för kirurgen var det finns en tumör och var det inte finns en tumör,” säger Aguilar. Detta bör möjliggöra för kirurger att extrahera tumören med mikrometrisk precision samtidigt som funktionella områden som tal och kognition bevaras.
Testning av säkerhet och potential
Aguilar tillägger att de har valt denna metod för sitt första människotest eftersom den är en mycket pålitlig och snabb väg att bevisa grafens säkerhet, men också för att demonstrera potentialen hos materialet jämfört med dagens metallteknologi. Inbrains team har redan testat grafenbaserade chippets biokompatibilitet. ”Vi har arbetat de senaste tre åren med biokompatibilitet genom olika säkerhetsstudier på stora djur,” säger Aguilar. ”Så nu kan vi få dessa gröna ljus för att bevisa ytterligare en säkerhetsnivå med människor.”
Framtidsutsikter för Parkinsons sjukdom
Medan detta test vid Manchester är inriktat på att hjälpa till vid hjärntumörkirurgi, skulle samma teknik så småningom kunna användas för att hjälpa Parkinsons patienter. För detta syfte beviljades Inbrains system Breakthrough Device Designation förra september från amerikanska Food & Drug Administration som en kompletterande terapi för behandling av Parkinsons sjukdom. ”För behandling av Parkinsons har vi arbetat med olika prekliniska studier som har visat rimligt bevis på överlägsenhet jämfört med nuvarande kommersiell teknologi i minskningen av Parkinsonssymptom,” säger Aguilar.
För behandling av Parkinsons ansluter Inbrains chip till nigrostriata vägen i hjärnan som är kritisk för rörelser. Chippet kommer först att avkoda avsiktsmeddelandet från hjärnan som utlöser ett steg eller lyft av en arm – något som en typisk BCI kan göra. Men Inbrains chip, med sin mikrometriska precision, kan också avkoda patologiska biomarkörer relaterade till Parkinsonssymptom, såsom tremor, stelhet och frysning av gång. Genom att fastställa dessa biomarkörer med stor precision kan Inbrains teknologi bestämma hur väl en patients nuvarande läkemedelsregim fungerar.
I denna första version av Inbrain-chippet behandlar det inte direkt symptomen på Parkinsons, utan gör det möjligt att bättre rikta in och minska mängden läkemedel som används i behandlingen. ”Parkinsonspatienter tar enorma mängder läkemedel som måste förändras över tiden bara för att hålla jämna steg med den ökande resistens som patienter utvecklar mot läkemedlets effekt,” säger Aguilar. ”Vi kan minska det åtminstone med 50 procent och förhoppningsvis mer i framtiden när våra enheter blir mer precisa.”
