Pada tahun 2004 Andre Geim dan Konstantin Novoselov di Universitas Manchester di Inggris mencapai terobosan ketika mereka graphene terisolasi untuk pertama kalinya. Grafena merupakan bentuk karbon datar yang terdiri dari satu lapisan atom. Grafena adalah bahan tertipis yang diketahui—dan salah satu yang terkuat. Dipuji sebagai bahan ajaib, bahan ini memenangkan Geim dan Novoselov a Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2010.
Dua puluh tahun kemudian, graphene akhirnya digunakan dalam baterai, sensor, semikonduktor, AC, dan bahkan headphone. Dan sekarang, hal itu sedang diuji pada otak manusia.
Pagi ini, ahli bedah di Universitas Manchester untuk sementara memasang implan tipis seperti selotip Scotch yang terbuat dari graphene pada korteks pasien—lapisan terluar otak. Dibuat oleh perusahaan Spanyol InBrain Neuroelectronics, teknologinya adalah sejenis antarmuka otak-komputerperangkat yang mengumpulkan dan menerjemahkan sinyal otak. InBrain adalah salah satu dari beberapa perusahaan, termasuk milik Elon Musk tautan sarafmengembangkan BCI.
“Kami bertujuan untuk memiliki produk komersial yang dapat melakukan decoding otak dan pemetaan otak serta dapat digunakan dalam berbagai gangguan,” kata Carolina Aguilar, CEO dan salah satu pendiri InBrain.
Pemetaan otak adalah teknik yang digunakan untuk membantu merencanakan operasi otak. Saat mengangkat tumor otak, misalnya, ahli bedah memasang elektroda di otak untuk menentukan lokasi fungsi motorik dan bicara di otak sehingga mereka dapat mengangkat tumor dengan aman tanpa mempengaruhi kemampuan pasien untuk bergerak atau berbicara.
Pada operasi hari ini, implan dipasang selama 79 menit. Pasien sudah menjalani operasi otak untuk mengangkat tumornya dan menyetujui percobaan tersebut. Saat itu, para peneliti mengamati bahwa perangkat InBrain mampu membedakan jaringan otak yang sehat dan kanker dengan presisi skala mikrometer.
Universitas Manchester adalah tempat penelitian pertama InBrain pada manusia, yang akan menguji perangkat graphene pada hingga 10 pasien yang sudah menjalani operasi otak karena alasan lain. Tujuan dari penelitian ini, yang didanai oleh Komisi Eropa Unggulan Grafena proyeknya, adalah untuk menunjukkan keamanan graphene jika bersentuhan langsung dengan otak manusia.
David Coope, ahli bedah saraf yang melakukan prosedur ini, mengatakan perangkat InBrain lebih fleksibel dibandingkan elektroda konvensional, sehingga membuatnya lebih sesuai dengan permukaan otak. “Dari sudut pandang bedah, ini berarti kita mungkin bisa meletakkannya di tempat yang sulit kita pasang elektrodanya,” katanya. Elektroda andalan yang digunakan untuk pemetaan otak adalah cakram platinum iridium yang dipasang dalam silikon. “Jadi mereka cukup kaku,” kata Cooper.
Sebaliknya, perangkat InBrain adalah lembaran transparan yang diletakkan di permukaan otak. Setengah ketebalan rambut manusia, berisi 48 elektroda graphene decoding kecil yang masing-masing berukuran hanya 25 mikrometer. Perusahaan sedang mengembangkan implan jenis kedua yang menembus jaringan otak dan dapat memberikan rangsangan listrik yang tepat.
Perangkat permukaan saja dapat digunakan untuk pemetaan otak, namun Aguilar mengatakan perusahaannya juga mengintegrasikan kedua perangkat tersebut dan berencana untuk menguji keduanya bersama-sama sebagai pengobatan untuk gangguan neurologis seperti penyakit Parkinson.
Stimulasi otak dalam, atau DBS, di mana elektroda logam seperti jarum ditempatkan ke dalam jaringan otak sudah merupakan pengobatan yang disetujui untuk Parkinson, epilepsi, dan beberapa kondisi lainnya. Ini melibatkan penyampaian arus listrik untuk mengganggu sinyal tidak teratur di otak yang menyebabkan tremor dan gejala gerakan lainnya.
Saat ini, sebagian besar sistem DBS melakukan stimulasi terus-menerus, baik pasien mengalami gejala apa pun atau tidak. Seiring waktu, sistem saraf dapat beradaptasi dengan rangsangan terus-menerus ini dan efeknya dapat hilang. InBrain berupaya meningkatkan DBS dengan menggunakan perangkat permukaannya untuk mendeteksi biomarker yang terkait dengan fungsi motorik dan kemudian memberikan rangsangan hanya jika diperlukan dengan perangkat penembus.
Logam secara tradisional telah digunakan sebagai elektroda karena memiliki konduktivitas yang tinggi. Hal ini membuat mereka pandai menangkap aktivitas otak—pada dasarnya semburan listrik yang dipancarkan ketika neuron berkomunikasi satu sama lain. Elektroda logam secara rutin digunakan untuk DBS, serta untuk antarmuka otak-komputer guna membantu penderita kelumpuhan menggunakan perangkat digital dengan pikiran mereka.
Namun Christina Tringides, asisten profesor ilmu material dan rekayasa nano di Rice University yang tidak terlibat dengan InBrain, mengatakan elektroda logam memiliki kelemahan. Khususnya, otaknya rapuh dan kaku, sedangkan otaknya lembut dan seperti gel. “Ini seperti memasukkan sendok ke dalam semangkuk jello atau pisau ke dalam balok tahu,” katanya.
Otak berdenyut setiap kali kita menarik napas, namun elektroda logam tetap berada di tempatnya. Ketidaksesuaian ini berarti ketika otak berpindah ke tengkorak, elektroda dapat menyebabkan peradangan atau jaringan parut. Seiring waktu, masalah ini dapat menghambat kemampuan menangkap sinyal saraf. Logam juga teroksidasi di lingkungan berair di otak, yang dapat menyebabkan degradasi seiring waktu.
Idealnya, elektroda yang dipasang di otak akan bertahan lama untuk meminimalkan operasi berulang pada pasien. “Itulah mengapa ada dorongan untuk menggunakan bahan lain,” kata Tringides.
Graphene adalah konduktor yang sangat baik dan tidak teroksidasi. Ditambah lagi, Aguilar mengatakan perangkat InBrain dapat menyuntikkan muatan 200 kali lebih banyak ke otak dibandingkan sistem DBS saat ini. Rangkaian permukaan yang dibangun perusahaan juga memiliki 12 elektroda stimulasi yang terdiri dari 8.400 pulau mikro graphene yang dapat memberikan stimulasi terfokus, tetapi dalam penelitian awal pada manusia ini, stimulasi tidak akan diaktifkan.
Aguilar mengatakan versi komersial perangkat tersebut akan memiliki hampir 100 elektroda, dan perusahaan juga mengembangkan satu dengan 1.024 elektroda. Semakin banyak elektroda, semakin banyak pula data yang dapat direkam dari otak. Karena titik graphene sangat kecil, perangkat ini juga dapat memberikan rangsangan yang sangat tepat.
Aguilar mengatakan antarmuka perusahaannya mungkin juga memiliki aplikasi untuk merawat pasien stroke dan epilepsi. Untuk saat ini, InBrain harus lulus studi keamanan awal.
“Ini adalah pertama kalinya graphene ditempatkan di otak manusia,” kata Aguilar. “Jadi kami mengharapkan hasil yang bagus.”
