El nostre cervell està format per més de 100.000 milions de neurones, tantes com estrelles hi ha a la nostra galàxia. Tot i els avenços científics de les últimes dècades, tot just estem començant a comprendre el nostre òrgan més complex, la nostra pròpia galàxia. 

Així mateix, sabem molt poc sobre l’origen de les nombroses malalties que poden afectar el cervell. Es calcula que a tot el món hi ha fins a mil milions de persones (aproximadament, una de cada sis) que pateixen algun trastorn cerebral, com la malaltia d’Alzheimer, epilèpsia o malalties mentals, entre d’altres.

Per comprendre en profunditat aquests trastorns, no n’hi ha prou amb l’estudi de les àrees i circuits del cervell que hi estan involucrats. Ens cal apropar-nos-hi molt més i escoltar les «converses» que tenen lloc entre les cèl·lules. Si podem arribar a saber què passa a aquesta escala, obrirem la possibilitat de desenvolupar una gran quantitat de noves eines de diagnòstic i tractaments.

Per aconseguir-ho, necessitem tecnologies noves que avui no existeixen: eines miniaturitzades que ens puguin dir com es comunica cada neurona individual amb les seves veïnes. Aquestes eines han de ser molt sensibles, estables, biocompatibles i, sobretot, excepcionalment petites. El problema és que la sensibilitat tendeix a miniaturitzar els dispositius. Com pot superar aquesta dificultat la ciència?

Amb el suport de CaixaResearch, dos equips de recerca portuguesos han aprofitat les singulars propietats d’alguns materials de carboni habituals. Jana B. Nieder, investigadora del Laboratori Ibèric Internacional de Nanotecnologia (INL) de Portugal, està desenvolupant un nanosensor de diamant. Pedro Alpuim, també investigador de l’INL, i Luis Jacinto, neurocientífic i neuroenginyer de l’Institut d’Investigació en Ciències de la Vida i de la Salut (ICVS) de la Universitat del Minho, són respectivament el líder i un dels investigadors principals d’un altre projecte de CaixaResearch l’objectiu del qual és desenvolupar una interfície neuronal basada en el grafè, un material format per una sola capa d’àtoms de carboni.

Diamants diminuts per desxifrar el cervell

«El diamant està compost de carboni pur cristal·litzat. Si s’elimina un àtom de carboni i se substitueix per un àtom diferent —per exemple, nitrogen—, es poden donar propietats òptiques al diamant», explica Nieder. Aquest diamant modificat emet un senyal de llum fluorescent específic que revela informació precisa sobre el seu entorn, en concret la temperatura i el camp magnètic.

Jana B. Nieder, Laboratori Ibèric Internacional de Nanotecnologia. 

«Ens en vam adonar que això podia ser realment útil per estudiar el cervell», afegeix. «Les neurones es comuniquen a través de senyals elèctrics i cada senyal elèctric va acompanyat d’un camp magnètic. Si podem situar aquests diamants prou a la vora dels axons neuronals, en podrem captar els senyals magnètics». Basant-nos en això, Nieder i el seu equip estan desenvolupant plataformes de detecció basades en diamants que optimitzaran perquè identifiquin la firma magnètica de la malaltia de Parkinson, la segona malaltia neurodegenerativa més freqüent del món. Per això, col·laboren amb Ramiro Almeida (Universitat d’Aveiro), expert en senyalització neuronal, i amb Antonio Salgado i l’equip de l’ICVS (Universitat del Minho), que estan desenvolupant organoides cerebrals cultivats en laboratori: cultius tridimensionals de cèl·lules cerebrals que simulen les condicions naturals del cervell millor que els models bidimensionals. «Quan el sensor té la capacitat de detectar la diferència entre els organoides de cervell sa i amb malaltia de Parkinson, es pot utilitzar per comprovar si la funció neuronal millora després d’administrar un determinat tractament», explica.

Més enllà de diagnosticar i desenvolupar possibles tractaments personalitzats per a la malaltia de Parkinson, la tecnologia també es podria utilitzar en altres afeccions cerebrals on es veuen afectats paràmetres com els camps magnètics i la temperatura intracel·lular. Per exemple, com que les cèl·lules cancerígenes presenten un augment de la temperatura, els nanosensors de diamant podrien ajudar a detectar tumors cerebrals amb una precisió extremament alta.

Assolir noves sensibilitats amb el grafè

El grafè consisteix en una sola capa d’àtoms de carboni fortament units entre si. És un material conegut des de fa molt de temps, ja que el grafit, el material utilitzat en els llapis, consta de capes de grafè apilades. «Tot i que pot semblar increïble, les capes individuals de grafè no es van aïllar fins al 2004. Va ser un gran avenç, ja que ens va permetre aprofitar les extraordinàries propietats físiques d’aquests flocs», explica Alpuim.

Pedro Alpuim, Laboratori Ibèric Internacional de Nanotecnologia. Fotografia: Rui Oliveira.

Per exemple, el grafè és un conductor excel·lent de la calor i l’electricitat, extraordinàriament fort i químicament estable. Consta únicament d’una superfície i pot actuar a voltatges extremament baixos. A més, està disponible en abundància i és fàcil de fabricar. 

En un context biològic, aquestes qualitats fan dels transistors de grafè un candidat excel·lent per detectar els senyals de les neurones. «Com que les neurones es comuniquen entre elles tant elèctricament com químicament (a través de neurotransmissors), pretenem construir una interfície que pugui mesurar totes dues formes de comunicació simultàniament», explica Jacinto.

La sinapsi, que és el punt de contacte entre dues neurones, mesura només 40 nanòmetres d’ample. Aquí és on s’alliberen els neurotransmissors, com la dopamina i la serotonina. «Per mesurar tot el que succeeix en aquest espai, necessitem sensors miniaturitzats que puguin detectar una petita quantitat de les molècules que travessaran aquest punt de comunicació», afegeix.

Luis Jacinto, Universitat del Minho. Fotografia: João Dias.

Les propietats del grafè els permeten treballar a aquesta escala tan petita. El pas següent és construir sondes que detectin específicament uns tipus determinats de neurotransmissors. Per això, col·laboren amb Carlos Briones, del Centre Espanyol d’Astrobiologia (CAB, CSIC-INTA), també investigador principal d’aquest projecte. Ell i el seu equip construeixen aptàmers, seqüències curtes d’ADN o ARN que es poden dissenyar específicament perquè reconeguin una determinada molècula. En aquest projecte elaboraran aptàmers sensibles als diferents tipus de neurotransmissors.

A continuació, els transistors de grafè es funcionalitzaran mitjançant els aptàmers, amb l’objectiu de crear un dispositiu que pugui detectar selectivament diversos neurotransmissors a la vegada. En lloc d’investigar un trastorn cerebral determinat, la seva idea és desenvolupar una eina que permeti estudiar la funció cerebral en general, tant en estat sa com en presència de malaltia.

Utilitzant la seva plataforma, ja han aconseguit detectar dopamina en les concentracions més baixes mai abans comunicades en la bibliografia científica. «La dopamina està involucrada en molts trastorns, com el Parkinson, l’Alzheimer, l’esquizofrènia, el trastorn depressiu major i el trastorn per addicció a substàncies, entre d’altres. La capacitat de mesurar concentracions molt petites d’aquesta molècula obre moltes possibilitats en la detecció i el tractament precoços d’aquestes malalties», conclou Jacinto.