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間差，一直是亟待克服的難題。臺灣陽明大學(xué)醫(yī)學(xué)工程系陳右穎教授團隊利用納米材料石墨烯，重新打造神經(jīng)探針芯片，深入腦部探測神經(jīng)活動信息，包括電信號與化學(xué)物質(zhì)釋放，以及深腦刺激治療，克服過去神經(jīng)芯片沒有辦法與磁共振造影同時使用的局限，讓診斷治療合二為一。

生物醫(yī)學(xué)芯片通常利用半導(dǎo)體與微機電技術(shù)制作而成，可用于生化分析、疾病的檢驗與新藥研發(fā)。不過對于腦疾病的檢測與治療，過去受限于芯片的長時間植入生物相容性問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)芯片探測神經(jīng)電信號或化學(xué)物質(zhì)，進行深腦刺激治療時，無法同步整合腦部電腦斷層掃描與磁共振造影信息，進行功能性腦部植入定位與治療效果評估。

石墨烯是目前世界上已知最薄、最堅硬、電阻率最小的納米材料，研發(fā)出這項新興材料的科學(xué)家更因此獲得2010年諾貝爾物理獎，目前廣泛應(yīng)用在航空航天、能源、信息等領(lǐng)域。在科技部“臺灣腦科技發(fā)展及國際躍升計劃”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)域團隊，利用石墨烯材料開發(fā)出具有多維度神經(jīng)活動電信號感測、化學(xué)物質(zhì)探測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題。

團隊目前已經(jīng)在動物實驗中獲得重要成果，不僅驗證應(yīng)用還原氧化石墨烯神經(jīng)探針芯片對大腦進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知與記憶等核心癥狀，同時也讓研究團隊在第一時間通過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

研究團隊將神經(jīng)探針芯片植入動物掌管行為與認知功能的丘腦部位，進行每日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，證實經(jīng)過芯片上微電極刺激后可以改變自閉癥動物模型的神經(jīng)突觸可塑性，進而改善自閉癥的社交缺損癥狀。在另外一項研究中，開發(fā)了memory prosthesis的治療技術(shù)，在動物實驗中成功驗證出該團隊所開發(fā)的神經(jīng)探針芯片可以增強認知功能與記憶力，有效提高最多達50%。這在未來或許有很大機會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。

團隊也利用相同的技術(shù)，測量血液中Aβ勝肽的類淀粉蛋白斑塊沉積。過去阿茲海默癥主要病理特征是神經(jīng)細胞外出現(xiàn)類淀粉蛋白斑塊堆積，這項特征多半只能依靠腦影像來觀察。運用陳右穎教授研究團隊發(fā)展的石墨烯神經(jīng)探針芯片，就能測量血清中的Aβ勝肽的水平，相較于正子攝影以及行為測試，更有助于早期診斷阿茲海默癥。

陳右穎教授表示，過去神經(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，同時在芯片外圍包覆一層抗發(fā)炎因子，能克服過去沒有辦法達到的生物相容性與信號品質(zhì)。他說，對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，針對不同的治療需求，設(shè)計出探測腦內(nèi)多巴胺、葡萄糖、過氧化氫等生物信號的精準生物醫(yī)學(xué)芯片，有助于垂直整合診斷與治療，且為精準醫(yī)學(xué)發(fā)展奠定穩(wěn)固的基石。