ارتباط مستقیم میان مغز و سامانه‌های الکترونیکی یکی از حوزه‌های پیشرفته پژوهش‌های پزشکی و مهندسی است. رابط‌های مغز و رایانه می‌توانند فعالیت الکتریکی نورون‌ها را ثبت کنند، الگوهای موجود در سیگنال‌های عصبی را تشخیص دهند و در برخی کاربردها، با ارسال تحریک الکتریکی به نواحی مشخص، فعالیت عصبی را تعدیل کنند. بااین‌حال، دستیابی به این قابلیت‌ها به الکترودهایی نیاز دارد که ضمن ثبت دقیق سیگنال‌ها، تا حد امکان نازک و سازگار با بافت زیستی باشند و بتوان آن‌ها را با دقت بالا در موقعیت موردنظر قرار داد.
پروژه اروپایی MINIGRAPH با حمایت مالی شورای نوآوری اروپا (European Innovation Council) و با هماهنگی مؤسسه علوم و فناوری نانوی کاتالونیا (ICN2) برای پیشبرد این حوزه اجرا شد و اکنون به پایان رسیده است. شرکت اینبرین نیوروالکترونیکس (INBRAIN Neuroelectronics)، مرکز پژوهش‌های میکروالکترونیک آی‌مک (imec)، مؤسسه فرانهوفر (Fraunhofer)، مرکز پزشکی دانشگاه لیدن، مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich)، شرکت نانوفلکس رباتیکس (Nanoflex Robotics) و دانشگاه پالاکی اولوموتس از دیگر اعضای این کنسرسیوم بودند.
بیماری پارکینسون به‌عنوان کاربرد اولیه این پروژه انتخاب شد. این بیماری بر حرکت و کنترل حرکتی اثر می‌گذارد و در برخی روش‌های درمانی، تحریک الکتریکی نواحی مشخصی از مغز برای کاهش علائم به کار می‌رود. هدف پژوهشگران در این پروژه، توسعه سامانه‌ای بود که بتواند فعالیت عصبی را ثبت کند، سیگنال‌ها را تفسیر کند و بر اساس اطلاعات به‌دست‌آمده، تحریک هدفمند ارائه دهد. چنین رویکردی در صورت توسعه بیشتر می‌تواند زمینه‌ساز سامانه‌های عصبی تطبیقی شود؛ سامانه‌هایی که به‌جای اعمال تحریک ثابت، آن را با توجه به وضعیت ثبت‌شده تنظیم می‌کنند.
برای تحقق این هدف، تیم پژوهشی پروب‌های عصبی قشری و زیرقشری را با استفاده از الکترودهای لایه‌نازک گرافنی توسعه داد. پروب عصبی ابزار باریکی است که برای ثبت فعالیت الکتریکی یا اعمال تحریک به بخش‌های مشخصی از دستگاه عصبی به کار می‌رود. پروب‌های قشری برای دسترسی به قشر مغز و پروب‌های زیرقشری برای رسیدن به ساختارهای عمیق‌تر طراحی می‌شوند. استفاده از گرافن در الکترودها، به دلیل ویژگی‌های الکتریکی و امکان ساخت لایه‌های بسیار نازک، مورد توجه پژوهشگران رابط‌های عصبی قرار گرفته است.
این گروه علاوه بر الکترودها، تجهیزات الکترونیکی قابل‌کاشت را نیز توسعه داد که قادرند سیگنال‌های ثبت‌شده از صدها محل عصبی را رمزگشایی کنند. این قابلیت اهمیت زیادی دارد؛ زیرا فعالیت مغز از مجموعه بزرگی از سیگنال‌های هم‌زمان تشکیل شده و استخراج اطلاعات مفید از آن‌ها به سامانه‌های ثبت و پردازش پیشرفته نیاز دارد. پژوهشگران این اجزا را در یک نمونه اولیه یکپارچه کردند و عملکرد آن را در یک مدل انتقالی اعتبارسنجی کردند؛ مدلی که برای نزدیک‌ترکردن ارزیابی فناوری به شرایط زیستی و کاربردی طراحی شده است.
یکی از موضوعات مهم در توسعه ابزارهای قابل‌کاشت، دوام بلندمدت و سازگاری آن‌ها با بدن است. به گفته شرکت اینبرین، آزمایش‌های پیرسازی شتاب‌یافته نشان داده‌اند که پروب‌های گرافنی از پایداری پیش‌بینی‌شده بیش از ۱۰ سال برخوردارند. در آزمون پیرسازی شتاب‌یافته، تجهیزات در شرایط کنترل‌شده‌ای قرار می‌گیرند تا برخی تغییرات احتمالی در طول زمان سریع‌تر ارزیابی شوند. بااین‌حال، این پیش‌بینی به‌تنهایی معادل اثبات عملکرد ایمن و پایدار در بدن انسان برای بیش از یک دهه نیست و باید در کنار سایر آزمون‌ها و داده‌های بلندمدت تفسیر شود.
پژوهشگران همچنین مطالعاتی درباره سمیت سلولی و مولکولی و زیست‌سازگاری انجام دادند تا ارزیابی ایمنی مواد و اجزای این سامانه را تقویت کنند. این بررسی‌ها برای فناوری‌هایی که قرار است در تماس مستقیم با بافت عصبی قرار گیرند، اهمیت اساسی دارند؛ زیرا هرگونه واکنش نامطلوب بافتی می‌تواند عملکرد الکترودها و ایمنی بیمار را تحت تأثیر قرار دهد. با وجود این، اطلاعات منتشرشده به‌تنهایی برای نتیجه‌گیری درباره ایمنی بالینی نهایی یا تأیید استفاده معمول از این سامانه در بیماران کافی نیست.
بخش دیگر پروژه بر توسعه روشی دقیق برای کاشت پروب‌های فوق‌نازک متمرکز بود. شرکت نانوفلکس رباتیکس و پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال زوریخ، سامانه‌ای مبتنی بر حامل مغناطیسی و ربات الکترومغناطیسی طراحی کردند که می‌تواند مسیر حرکت پروب را زیر تصویربرداری با پرتو ایکس هدایت کند. این روش امکان هدایت پروب‌ها را در مسیرهای مستقیم یا منحنی فراهم می‌کند؛ قابلیتی که برای دسترسی به نواحی مشخص مغز و عبور از مسیرهای پیچیده اهمیت دارد.
بر اساس اعلام نانوفلکس، این سامانه در عمق مغز به دقتی کمتر از یک میلی‌متر دست یافته است. روش کاشت در آزمایش‌های برون‌تنی و همچنین درون‌تنی روی یک مدل حیوانی بزرگ اعتبارسنجی شد. شرکت توسعه‌دهنده معتقد است هدایت رباتیک مغناطیسی می‌تواند سرعت و تکرارپذیری فرایند کاشت را افزایش دهد و در عین حال، عملکرد الکترودها را حفظ کند. بااین‌حال، میزان موفقیت در کاربردهای بالینی به ارزیابی‌های بیشتر، بررسی خطرهای جراحی و اثبات عملکرد در شرایط انسانی وابسته است.
پروژه MINIGRAPH در شرایطی به پایان رسیده است که اینبرین پیش‌تر از جذب ۵۰ میلیون دلار سرمایه در دور تأمین مالی سری B خود خبر داده بود. این سرمایه‌گذاری بخشی از تلاش‌ها برای پیشبرد رابط‌های مغز و رایانه مبتنی بر گرافن به شمار می‌رود؛ حوزه‌ای که در آن، توسعه مواد پیشرفته باید هم‌زمان با پیشرفت الکترونیک، پردازش سیگنال و روش‌های کاشت دقیق دنبال شود.
دستاورد این کنسرسیوم، کنار هم قرار دادن چند فناوری مکمل است: الکترودهای گرافنی فوق‌نازک، الکترونیک قابل‌کاشت برای پردازش سیگنال‌های عصبی و رباتی که با هدایت مغناطیسی، مسیر کاشت را کنترل می‌کند. این ترکیب می‌تواند زیرساختی برای نسل آینده رابط‌های عصبی فراهم کند، اما تبدیل آن به یک ابزار درمانی قابل‌استفاده برای بیماران به مطالعات ایمنی و کارایی بیشتر، توسعه فرایند تولید و ارزیابی‌های بالینی نیاز دارد.