Các nhà khoa học tại Viện Tế bào Gốc Sanford thuộc Đại học California San Diego đã phát triển một phương pháp đột phá, Graphene-Mediated Optical Stimulation (GraMOS), sử dụng graphene để kích thích và nuôi dưỡng các organoid não. Kỹ thuật này khai thác các đặc tính quang điện độc đáo của graphene để chuyển đổi ánh sáng thành các tín hiệu điện nhẹ nhàng, thúc đẩy sự tương tác và giao tiếp giữa các tế bào thần kinh trong organoid.
Phương pháp GraMOS, được công bố trên tạp chí Nature Communications, không xâm lấn, an toàn và tương thích sinh học, giúp tăng tốc độ phát triển của organoid não mà không cần can thiệp di truyền. Tiến sĩ Elena Molokanova, giám đốc điều hành và nhà phát minh GraMOS tại NeurANO Bioscience, cho biết: "Nhờ ứng dụng graphene và ánh sáng, chúng tôi đã kích thích sự hình thành các kết nối giữa các tế bào thần kinh và đẩy nhanh sự phát triển của chúng mà không cần đến các phương pháp quang di truyền tiêu chuẩn."
Sự phát triển này dựa trên các công trình trước đó, như việc Inbrain Neuroelectronics ở Barcelona được phê duyệt vào năm 2024 để tiến hành các thí nghiệm đầu tiên trên thế giới về cấy ghép thần kinh graphene. Tuy nhiên, GraMOS khác biệt ở chỗ nó tích hợp trực tiếp graphene vào organoid não, đẩy nhanh quá trình phát triển mà không cần can thiệp xâm lấn. Cách tiếp cận này nhằm mục đích thúc đẩy sự phát triển thần kinh nhanh hơn, đặc biệt có giá trị trong việc nghiên cứu các bệnh liên quan đến lão hóa trong môi trường phòng thí nghiệm.
Các organoid não tích hợp graphene có độ nhạy với các điều kiện bên ngoài và có thể tái cấu hình mạng lưới thần kinh của chúng một cách thích ứng dưới sự kích thích của ánh sáng. Khả năng biến đổi thần kinh này vượt trội đáng kể so với các vi mạch máy tính cổ điển, mở ra triển vọng cải thiện trí tuệ nhân tạo và mở rộng khả năng giải quyết các nhiệm vụ phức tạp, phi tiêu chuẩn của nó. Trong các dự án thử nghiệm, các chuyên gia đã kết nối các organoid não với giao diện graphene vào một tổ hợp robot được trang bị cảm biến. Khi robot chạm vào chướng ngại vật, nó sẽ truyền tín hiệu, kích thích organoid. Ngược lại, organoid tạo ra phản ứng thần kinh, dẫn đến sự thay đổi hướng di chuyển của robot, với toàn bộ chu trình này diễn ra chưa đầy 50 mili giây.
Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng graphene đã giúp các organoid não hình thành các kết nối mạnh mẽ hơn, mạng lưới được tổ chức tốt hơn và giao tiếp nâng cao giữa các tế bào thần kinh, ngay cả trong các mô hình từ bệnh nhân Alzheimer. Quan trọng hơn, graphene đã được chứng minh là tương thích sinh học và không gây hại cho tế bào thần kinh hoặc cấu trúc organoid ngay cả trong thời gian dài. Khả năng này mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu các bệnh thoái hóa thần kinh và phát triển các giao diện não-máy tính mới.
"Đây mới chỉ là sự khởi đầu. Sự kết hợp giữa tính linh hoạt của graphene và sinh học của organoid não có thể định hình lại các khả năng của khoa học thần kinh – từ việc hiểu chức năng não đến việc tạo ra các mô hình công nghệ hoàn toàn mới," các nhà nghiên cứu kết luận.