新一代腦植入物采用石墨烯芯片

來源： IEEE電氣電子工程師學(xué)會

InBrain

據(jù)悉，總部位于巴塞羅那的一家名為Inbrain Neuroelectronics的初創(chuàng)公司生產(chǎn)出了一種由石墨烯制成的新型大腦植入物，并計劃在今年夏天進(jìn)行首次人體試驗。

這項技術(shù)屬于腦機(jī)接口（BCI）的一種。腦機(jī)接口因其能夠記錄大腦信號并將其傳輸至計算機(jī)進(jìn)行分析而備受關(guān)注。它們已被用于醫(yī)療診斷、為無法說話的人提供溝通設(shè)備、以及控制外部設(shè)備，包括機(jī)器人肢體。Inbrain公司打算將其BCI技術(shù)轉(zhuǎn)化為治療帕金森病等神經(jīng)問題的工具。

由于Inbrain公司的芯片是由石墨烯制成的，這種神經(jīng)接口具有一些有趣的特性 ——既能記錄大腦信號又能刺激大腦。這種雙向性解決了傳統(tǒng)金屬芯片在BCI技術(shù)中遇到的一個關(guān)鍵問題：法拉第反應(yīng)。法拉第反應(yīng)是指金屬電極與電解質(zhì)溶液之間發(fā)生的一種特定類型的電化學(xué)過程。而神經(jīng)組織主要由水性電解質(zhì)組成。隨著時間的推移，這些法拉第反應(yīng)會降低金屬芯片的有效性。

因此，Inbrain公司用具有優(yōu)良電導(dǎo)性的石墨烯取代了通常用于此類芯片的金屬。Inbrain公司的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Carolina Aguilar表示：“金屬會發(fā)生法拉第反應(yīng)，使所有電子相互作用，從而降低其將信號傳回大腦的有效性。”

由于石墨烯本質(zhì)上是碳而不是金屬，Aguilar說該芯片可以在不產(chǎn)生法拉第反應(yīng)的情況下注入多達(dá)200倍的電荷。因此，這種材料在治療工具所需的數(shù)百萬次刺激脈沖中保持穩(wěn)定。雖然Inbrain公司尚未測試芯片用于腦刺激，但公司預(yù)計在不久的將來會實現(xiàn)這一目標(biāo)。

根據(jù)Aguilar的說法，石墨烯芯片是利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)在晶圓上生產(chǎn)的。在無塵車間里，Inbrain公司制造出厚度為10微米的芯片。該芯片由Aguilar稱為“石墨烯點（graphene dots）”（與石墨烯量子點不同，
https://spectrum.ieee.org/quantum-dots-made-from-graphene-help-realize-their-promise-for-quantum-computing）組成，尺寸范圍為25至300微米?！斑@種微米級別使我們能夠以獨(dú)特的分辨率解碼來自大腦的信號，同時也能實現(xiàn)大腦的微米級刺激或調(diào)節(jié)，”Aguilar補(bǔ)充道。

石墨烯基腦機(jī)接口的測試

該平臺的首次人體測試將在英國曼徹斯特大學(xué)進(jìn)行，在那里它將作為腦腫瘤切除術(shù)的接口。在切除腫瘤時，外科醫(yī)生必須確保不損傷大腦的語言中樞等區(qū)域，以免患者術(shù)后受到損害。“芯片在腫瘤切除過程中被放置，以非常高的分辨率讀取告訴外科醫(yī)生哪里有腫瘤和哪里沒有腫瘤的信號，”Aguilar說。這應(yīng)該能使外科醫(yī)生以微米級精度提取腫瘤，同時保留言語和認(rèn)知等功能區(qū)。

Aguilar補(bǔ)充道：“我們采取這種方法進(jìn)行首次人體測試，因為它是證明石墨烯安全性并展示其相對于當(dāng)前金屬技術(shù)潛力的非?？煽亢涂旖莸耐緩健！?/p>

Aguilar強(qiáng)調(diào)，Inbrain公司團(tuán)隊已經(jīng)測試了石墨烯基芯片的生物相容性。“在過去三年里，我們通過各種大型動物的安全性研究一直在進(jìn)行生物相容性工作，”Aguilar說，“所以現(xiàn)在我們可以獲得這些綠燈來證明在人類身上的額外安全水平?！?/p>

雖然此次在曼徹斯特的芯片測試旨在輔助腦腫瘤手術(shù)，但同樣的技術(shù)最終可以用來幫助帕金森病患者。為此目的，Inbrain公司的系統(tǒng)去年9月獲得了美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的突破性設(shè)備認(rèn)證（
https://www.businesswire.com/news/home/20230919347435/en/INBRAIN-Neuroelectronics-Announces-FDA-Breakthrough-Device-Designation-for-Its-Graphene-Based-Intelligent-Network-Modulation-Platform），作為治療帕金森病的輔助療法?！皩τ谂两鹕〉闹委煟覀円恢痹谶M(jìn)行不同的臨床前研究，這些研究表明，在減少帕金森病癥狀方面，石墨烯芯片相對于現(xiàn)有商業(yè)技術(shù)具有合理的優(yōu)越性，”Aguilar說。

對于帕金森病的治療，Inbrain公司的芯片連接到大腦中對運(yùn)動至關(guān)重要的黑質(zhì)紋狀體通路（
https://en.wikipedia.org/wiki/Nigrostriatal_pathway）。芯片首先會解碼來自大腦的觸發(fā)步伐或抬起手臂的意圖信號——這也是典型的BCI可以做到的。但I(xiàn)nbrain公司的芯片憑借其微米級精度，還可以解碼與帕金森癥狀相關(guān)的病理生物標(biāo)志物，如震顫、僵硬和步態(tài)凍結(jié)。

通過極其精確地確定這些生物標(biāo)志物，Inbrain公司的技術(shù)可以確定患者當(dāng)前藥物治療的效果。在Inbrain公司芯片的第一代中，它不會直接治療帕金森癥狀，而是使得更好地靶向和減少治療中使用的藥物量成為可能。

Aguilar表示：“帕金森病患者服用大量藥物，這些藥物必須隨著時間的推移而改變，以跟上患者對藥物效力不斷增長的抵抗力。我們至少可以減少50%的藥物使用量，并希望未來隨著我們設(shè)備的精確性提高，能進(jìn)一步減少?！?/p>

審核編輯 黃宇