Desarrollos recientes en una nueva plataforma de detección basada en grafeno, que proporciona una
medición de la actividad cerebral en alta resolución y en tiempo real, podrían ser la puerta de entrada para
desbloquear una comprensión superior del cerebro. Esta investigación, desarrollada en el marco del proyecto
de la UE BrainCom y coordinada por el ICN2, cuenta con la participación de investigadores del CIBERBBN, del grupo que lidera Rosa Villa, y ha sido publicada recientemente en varias revistas de impacto.
Podría decirse que una mejor comprensión de los principios de funcionamiento del cerebro humano sigue
siendo uno de los principales desafíos científicos de nuestro tiempo. A pesar de los importantes avances
realizados en el campo de la neurotecnología en los últimos años, las interfaces de detección neuronal aún no
cumplen los requisitos de biocompatibilidad, sensibilidad y alta resolución espacio-temporal. El proyecto de
investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea BrainCom, coordinado por el Grupo de Dispositivos y
Materiales Electrónicos Avanzados de ICN2 dirigido por José A. Garrido de ICREA, está abordando estos
problemas. BrainCom reúne a expertos de los campos de la neurotecnología, la neurociencia y la ética para
desarrollar nuevas tecnologías capaces de superar estas limitaciones y arrojar luz sobre los mecanismos de
codificación y procesamiento de la información en el cerebro.
Un punto de inflexión en la ingeniería neuronal
En cuatro artículos de investigación publicados entre marzo y abril de 2020, presentados en Elsevier’s
Carbon, IOP’s 2D Materials, Wileyy’s Small y Nano Letters de la American Chemical Society, los
investigadores del consorcio BrainCom presentan los avances tecnológicos logrados en el proyecto, discuten
en profundidad metodología y demostrar capacidades novedosas para la detección de alta resolución de la
actividad eléctrica del cerebro. Los desarrollos recientes explotan las propiedades únicas del grafeno, una
capa de carbono con un espesor de átomo, que se conforma con la superficie suave y enrevesada del cerebro
que proporciona una excelente interfaz de detección neuronal. Los sensores de grafeno tienen una ventaja
adicional que representa un punto de inflexión en la ingeniería neuronal: el mecanismo de detección de estos
sensores activos de grafeno (los llamados transistores) es compatible con la multiplexación electrónica, una
tecnología que permite transmitir las señales detectadas por múltiples sensores a través de un único
micrómetro cable. Esto implica que la cantidad de sensores en los implantes neurales se puede aumentar al
tiempo que se minimiza la huella de los conectores necesarios para vincular los implantes a equipos
electrónicos externos.
Esta tecnología, desarrollada en estrecha colaboración con Anton Guimerà, investigador del CIBER-BBN en
el Instituto CSIC de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC), ha sido evaluada en estudios
preclínicos en el laboratorio del neurocientífico Anton Sirota en la Universidad Ludwig-Maximilians ( LMU,
Munich). Un enfoque colaborativo y multidisciplinario es crucial para el éxito del proyecto, cuyo objetivo es
abordar un desafío científico y tecnológico muy difícil.
Los sensores de grafeno se pueden reducir a la dimensión de aproximadamente una neurona, manteniendo una alta calidad de señal
El cerebro humano tiene una complejidad asombrosa, que consta de hasta 100 mil millones de neuronas.
Para comprender completamente los principios subyacentes de un sistema tan complicado requiere la
detección simultánea de la actividad eléctrica de grandes poblaciones neuronales con una alta resolución
espacial y temporal. Desafortunadamente, las tecnologías actuales de detección neuronal presentan una
compensación entre la resolución espacial y la cobertura de área extensa de la superficie del cerebro. El
trabajo llevado a cabo por los investigadores del proyecto BrainCom muestra cómo los sensores basados en
grafeno representan un elemento fundamental para interfaces neuronales tan sensibles y de gran escala.
Como se explica en los artículos publicados recientemente, los sensores de grafeno se pueden reducir en
tamaño a la dimensión de aproximadamente una neurona, manteniendo una alta calidad de señal. Además, su
sensibilidad se expande en un amplio rango de frecuencias; desde oscilaciones infra-lentas hasta señales muy
rápidas provocadas por células individuales.
Estos hallazgos despejan el camino para una ampliación de la tecnología de sensores de grafeno hacia
matrices con un recuento ultra alto de sensores. Estas interfaces neuronales biocompatibles y de gran ancho
de banda pueden tener un gran impacto en el desarrollo de la neuroprótesis, lo que permite una comunicación
directa entre el cerebro y una computadora. Estos resultados representan la fructificación de las iniciativas de
investigación a largo plazo de la UE, que persiguen el ambicioso objetivo de restaurar el habla a los
pacientes con discapacidad al leer las señales en sus cerebros, que están relacionadas con su discurso
intencional. El consorcio de investigación se centrará ahora en aumentar la producción de estas interfaces
neuronales y probar su rendimiento en ensayos clínicos humanos seguros. Esta y otras aplicaciones de
sensores de grafeno también son compatibles con el buque insignia de grafeno de la UE dentro del paquete
de trabajo de Biomedical Technologies.
