來(lái)源： IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)

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(jì)劃在今年夏天進(jìn)行首次人體試驗(yàn)。

這項(xiàng)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(hào)并將其傳輸至計(jì)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(wú)法說(shuō)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(wèn)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(hào)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(lèi)型的電化學(xué)過(guò)程。而神經(jīng)組織主要由水性電解質(zhì)組成。隨著時(shí)間的推移，這些法拉第反應(yīng)會(huì)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(lèi)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(huì)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(hào)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(shuō)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(wàn)次刺激脈沖中保持穩(wěn)定。雖然Inbrain公司尚未測(cè)試芯片用于腦刺激，但公司預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)會(huì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

根據(jù)Aguilar的說(shuō)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(wú)塵車(chē)間里，Inbrain公司制造出厚度為10微米的芯片。該芯片由Aguilar稱(chēng)為“石墨烯點(diǎn)（graphene dots）”（與石墨烯量子點(diǎn)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(jí)別使我們能夠以獨(dú)特的分辨率解碼來(lái)自大腦的信號(hào)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)大腦的微米級(jí)刺激或調(diào)節(jié)，”Aguilar補(bǔ)充道。

石墨烯基腦機(jī)接口的測(cè)試

該平臺(tái)的首次人體測(cè)試將在英國(guó)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(shí)，外科醫(yī)生必須確保不損傷大腦的語(yǔ)言中樞等區(qū)域，以免患者術(shù)后受到損害?！靶酒谀[瘤切除過(guò)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(méi)有腫瘤的信號(hào)，”Aguilar說(shuō)。這應(yīng)該能使外科醫(yī)生以微米級(jí)精度提取腫瘤，同時(shí)保留言語(yǔ)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(cè)試，因?yàn)樗亲C明石墨烯安全性并展示其相對(duì)于當(dāng)前金屬技術(shù)潛力的非?？煽亢涂旖莸耐緩??！?/p>

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

雖然此次在曼徹斯特的芯片測(cè)試旨在輔助腦腫瘤手術(shù)，但同樣的技術(shù)最終可以用來(lái)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(guó)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。“對(duì)于帕金森病的治療，我們一直在進(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(duì)于現(xiàn)有商業(yè)技術(shù)具有合理的優(yōu)越性，”Aguilar說(shuō)。

對(duì)于帕金森病的治療，Inbrain公司的芯片連接到大腦中對(duì)運(yùn)動(dòng)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(huì)解碼來(lái)自大腦的觸發(fā)步伐或抬起手臂的意圖信號(hào)——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(jí)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(guò)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(huì)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(shí)間的推移而改變，以跟上患者對(duì)藥物效力不斷增長(zhǎng)的抵抗力。我們至少可以減少50%的藥物使用量，并希望未來(lái)隨著我們?cè)O(shè)備的精確性提高，能進(jìn)一步減少。”

審核編輯 黃宇