Transistores de grafeno para medir la actividad ultralenta de tu encéfalo

Por Francisco R. Villatoro, el 22 abril, 2019. Categoría(s): Cerebro • Ciencia • Nanotecnología • Nature • Noticias • Redes de Neuronas • Science ✎ 5

René Lavand decía que «no se puede hacer más lento». La actividad ultralenta de tu encéfalo, a frecuencias inferiores a 0.1 Hz, parecía imposible de medir con electrodos metálicos, pues actúan como un filtro pasoalto con una frecuencia de corte de 0.5 Hz. De nuevo el grafeno nos ofrece la solución. Eduard Masvidal-Codina (Institut de Microelectrònica de Barcelona) y sus colegas publican en Nature Materials que se pueden medir frecuencias ultralentas (o infralentas) de ~0.1 Hz usando electrodos con transistores de efecto campo basados en grafeno (gSGFET, por graphene Solution-Gated Field-Effect Transistor). El potencial neuronal relativo a un electrodo de referencia modula la resistencia del canal de grafeno, que conduce a una variación de la corriente entre los terminales de puerta y drenador. La nueva técnica promete revolucionar la investigación básica y la práctica clínica.

Ya sabes que el grafeno es una monocapa de átomos de carbono en un red hexagonal que permite una alta mobilidad de portadores. Los transistores de grafeno tienen la ventaja de que actúan como amplificadores con una excelente relación señal-a-ruido, sin necesidad de una etapa de amplificación con una capacitancia asociada que actúe como filtro pasoalto. Los gSGFET permiten una medida de la actividad de las neuronas desde frecuencias ultraaltas hasta las ultrabajas. Por supuesto, la aplicación clínica rutinaria de esta tecnología tendrá que esperar a que el coste de fabricación del grafeno sea asequible y esta nueva tecnología madure. Pero todos deseamos que no falte mucho para ello.

El artículo es Eduard Masvidal-Codina, …, Jose A. Garrido, Anton Guimerà-Brunet, “High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors,” Nature Materials 18: 280–288 (31 Dec 2018), doi: 10.1038/s41563-018-0249-4 [CSIC]; más información divulgativa en Jed A. Hartings, “How slow can you go?” Nature Materials 18: 194–196 (31 Dec 2018), doi: 10.1038/s41563-018-0272-5; “Un implante de grafeno supera las barreras técnicas para detectar actividad cerebral a frecuencias extremadamente bajas,” CIBER ISCIII, 02 ene 2019.

Muchos accidentes cerebrovasculares y traumatismos, en los que se reduce el flujo sanguíneo en el encéfalo, vienen acompañados de ondas ultralentas, también llamadas tsunamis (brain tsunamis). Muchos de los pacientes requieren neurocirugía después del accidente, por lo que se suelen implantar electrodos para monitorizar de forma continua su actividad encefálica mientras se encuentran en la unidad de cuidados intensivos (su estancia puede llegar a los diez días). Los tsunamis corresponden a despolarizaciones negativas que alcanzan hasta –145 mV y tienen duraciones de entre 1 y 3 minutos, aunque pueden alcanzar hasta 30 minutos; su frecuencia suele ser inferior a 0.03 Hz, con un pico de unos 0.009 Hz.

El gran problema de la medida de estos tsunamis con macroelectrodos de platino-iridio convencionales es la deriva de la señal (parte de arriba de esta figura) que provoca que desaparezcan del campo de visualización del monitor, además de alterar la forma de la onda. En esta figura, la deriva entre la primera y la cuarta despolarización es de unos 22 mV (ver la figura). El problema de la visualización en pantalla se suele resolver con una “puesta a cero” usando un filtro de paso alto o paso de banda de 0.01 Hz, pero ello provoca una pérdida significativa de información. El uso de una matriz bidimensional de 4×4 transistores gSGFETs (parte de abajo de esta figura) corrige el problema (los datos se han obtenido en un encéfalo de rata).

Masvidal-Codina y sus colegas han microfabricado matrices 4×4 de transistores de efecto de campo basados en grafeno (gSGFETs) con un área de medida por sensor de 50 × 100 μm² y un espaciado de 400 μm (valores de diseño para su uso en el encéfalo de una rata). Se usan dos amplificadores con diferentes ganancias para registrar las frecuencias altas (mayores de 0.16 Hz) y bajas (menores de 0.16 Hz); sus salidas se suman para obtener la señal final. Para frecuencias altas su funcionamiento es tan bueno como los microelectrodos de oro y de platino, pero estos últimos actúan como un filtro pasoalto para las frecuencias ultrabajas. Además, los gSGFETs muestran una estabilidad en continua excelente, con una deriva mínima, gracias a que el grafeno es electroquímicamente inerte.

La comparación entre las señales registradas mediante gSGFETs y las obtenidas con electrodos de platino u oro, con y sin filtrado, no deja lugar a dudas. Aún así hemos de ser cautos en relación a su aplicación clínica. Por un lado, tenemos el problema del precio, que se podría resolver con sensores que combinen pocos gSGFETs con electrodos de platino-iridio. Por otro lado, aún no se ha estudiado en detalle el comportamiento a largo tiempo de los nuevos sensores; quizás se requiera una fase periódica de recalibrado y ciertas medidas para garantizar su durabilidad. A pesar de ello, su futuro es prometedor. Queda mucha investigación e innovación para que esta nueva tecnología se incorpore en la práctica clínica, pero su futuro es muy prometedor.



5 Comentarios

  1. hola francis
    El grafeno nunca reemplezara al silicio en los microprocesadores de computadoras de escritorio?
    Cual es el las prometedor para suceder al silicio?

  2. Pues que se den prisa en implementarlo en la práctica clínica, a pesar del coste. Hay aparatos más caros.
    Es necesario registrar las ondas ultralentas en un electroencefalograma plano pasados 30 mi, en tres ocasiones. ¿Por qué? Porque se considera muerte cerebral y al diagnosticarla se da el pistoletazo de salida para ser donante de órganos. Puede que con lo que se dice en este artículo un EEG plano no sea ya muerte cerebral y desalojo de organos, puede que estemos quitando órganos a personas con actividad cerebral aún. ¿Cuántos asesinatos habremos cometido?
    Sr. Francis ¡qué se den prisa los físicos!

  3. Yo lo estoy viendo para paneles solares, me estoy dando cuenta que ya esta el boom del grafeno en muchas áreas, y claro que en situaciones de la salud… Uuurrrge. Salu2.

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