利用納米材料石墨烯，重新打造神經(jīng)探針芯片

如何縮短診斷與治療的時(shí)間差，一直是亟待克服的難題。臺(tái)灣陽(yáng)明大學(xué)醫(yī)學(xué)工程系陳右穎教授團(tuán)隊(duì)利用納米材料石墨烯，重新打造神經(jīng)探針芯片，深入腦部探測(cè)神經(jīng)活動(dòng)信息，包括電信號(hào)與化學(xué)物質(zhì)釋放，以及深腦刺激治療，克服過(guò)去神經(jīng)芯片沒(méi)有辦法與磁共振造影同時(shí)使用的局限，讓診斷治療合二為一。

生物醫(yī)學(xué)芯片通常利用半導(dǎo)體與微機(jī)電技術(shù)制作而成，可用于生化分析、疾病的檢驗(yàn)與新藥研發(fā)。不過(guò)對(duì)于腦疾病的檢測(cè)與治療，過(guò)去受限于芯片的長(zhǎng)時(shí)間植入生物相容性問(wèn)題與磁共振腦影像失真影響，導(dǎo)致使用傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)芯片探測(cè)神經(jīng)電信號(hào)或化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)行深腦刺激治療時(shí)，無(wú)法同步整合腦部電腦斷層掃描與磁共振造影信息，進(jìn)行功能性腦部植入定位與治療效果評(píng)估。

石墨烯是目前世界上已知最薄、最堅(jiān)硬、電阻率最小的納米材料，研發(fā)出這項(xiàng)新興材料的科學(xué)家更因此獲得2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)，目前廣泛應(yīng)用在航空航天、能源、信息等領(lǐng)域。在科技部“臺(tái)灣腦科技發(fā)展及國(guó)際躍升計(jì)劃”跨領(lǐng)域整合性研究的支持下，陳右穎教授跟交大材料科學(xué)與工程系陳三元教授、臺(tái)北醫(yī)學(xué)大學(xué)神經(jīng)再生醫(yī)學(xué)博士李宜釗教授、中研院生醫(yī)所黃圣言助理研究員成立跨領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)，利用石墨烯材料開(kāi)發(fā)出具有多維度神經(jīng)活動(dòng)電信號(hào)感測(cè)、化學(xué)物質(zhì)探測(cè)與深腦刺激功能的微型神經(jīng)探針芯片，且具備磁共振造影相容特性，可以避免磁共振造影下產(chǎn)生渦電流傷害腦部組織與影像失真的問(wèn)題。

團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中獲得重要成果，不僅驗(yàn)證應(yīng)用還原氧化石墨烯神經(jīng)探針芯片對(duì)大腦進(jìn)行高頻率電刺激的深腦刺激術(shù)能改善自閉癥與阿茲海默癥的認(rèn)知與記憶等核心癥狀，同時(shí)也讓研究團(tuán)隊(duì)在第一時(shí)間通過(guò)磁共振造影觀察腦影像，獲知電刺激神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連結(jié)變化并評(píng)估其后的治療成果。

以石墨烯打造的神經(jīng)探針芯片

研究團(tuán)隊(duì)將神經(jīng)探針芯片植入動(dòng)物掌管行為與認(rèn)知功能的丘腦部位，進(jìn)行每日30分鐘，為期六日的深腦刺激，并利用磁共振造影觀察腦區(qū)活化情形，證實(shí)經(jīng)過(guò)芯片上微電極刺激后可以改變自閉癥動(dòng)物模型的神經(jīng)突觸可塑性，進(jìn)而改善自閉癥的社交缺損癥狀。在另外一項(xiàng)研究中，開(kāi)發(fā)了memory prosthesis的治療技術(shù)，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中成功驗(yàn)證出該團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的神經(jīng)探針芯片可以增強(qiáng)認(rèn)知功能與記憶力，有效提高最多達(dá)50%。這在未來(lái)或許有很大機(jī)會(huì)成為改善阿茲海默癥等神經(jīng)退行性疾病的治療工具之一。

團(tuán)隊(duì)也利用相同的技術(shù)，測(cè)量血液中Aβ勝肽的類淀粉蛋白斑塊沉積。過(guò)去阿茲海默癥主要病理特征是神經(jīng)細(xì)胞外出現(xiàn)類淀粉蛋白斑塊堆積，這項(xiàng)特征多半只能依靠腦影像來(lái)觀察。運(yùn)用陳右穎教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展的石墨烯神經(jīng)探針芯片，就能測(cè)量血清中的Aβ勝肽的水平，相較于正子攝影以及行為測(cè)試，更有助于早期診斷阿茲海默癥。

陳右穎教授表示，過(guò)去神經(jīng)芯片在植入人體后，常受限于手術(shù)黏附與發(fā)炎，而影響傳感信號(hào)品質(zhì)，但以還原氧化石墨烯作為芯片傳感介面具有絕佳高導(dǎo)電性，同時(shí)在芯片外圍包覆一層抗發(fā)炎因子，能克服過(guò)去沒(méi)有辦法達(dá)到的生物相容性與信號(hào)品質(zhì)。他說(shuō)，對(duì)于像是自閉癥或阿茲海默癥等腦部疾病，傳統(tǒng)上只能依賴行為或腦影像來(lái)判斷，有了可以和磁共振造影相容的神經(jīng)芯片，就能結(jié)合電生理與腦影像，針對(duì)不同的治療需求，設(shè)計(jì)出探測(cè)腦內(nèi)多巴胺、葡萄糖、過(guò)氧化氫等生物信號(hào)的精準(zhǔn)生物醫(yī)學(xué)芯片，有助于垂直整合診斷與治療，且為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展奠定穩(wěn)固的基石。