來源： IEEE電氣電子工程師學會

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行首次人體試驗。

這項技術(shù)屬于腦機接口（BCI）的一種。腦機接口因其能夠記錄大腦信號并將其傳輸至計算機進行分析而備受關(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?！?/p>

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。

根據(jù)Aguilar的說法，石墨烯芯片是利用傳統(tǒng)半導體技術(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。“這種微米級別使我們能夠以獨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補充道。

石墨烯基腦機接口的測試

該平臺的首次人體測試將在英國曼徹斯特大學進行，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，同時保留言語和認知等功能區(qū)。

Aguilar補充道：“我們采取這種方法進行首次人體測試，因為它是證明石墨烯安全性并展示其相對于當前金屬技術(shù)潛力的非?？煽亢涂旖莸耐緩?。”

Aguilar強調(diào)，Inbrain公司團隊已經(jīng)測試了石墨烯基芯片的生物相容性?！霸谶^去三年里，我們通過各種大型動物的安全性研究一直在進行生物相容性工作，”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。“對于帕金森病的治療，我們一直在進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Inbrain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志物，Inbrain公司的技術(shù)可以確定患者當前藥物治療的效果。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，能進一步減少。”

審核編輯 黃宇